Elektronische apparaten met touchscreens zijn alomtegenwoordig, en één belangrijk stukje technologie maakt ze mogelijk:transparante geleiders. Echter, de kosten en de fysieke beperkingen van het materiaal waarvan deze geleiders meestal zijn gemaakt, belemmeren de vooruitgang naar flexibele touchscreen-apparaten.

Gelukkig, een onderzoekssamenwerking tussen de University of Pennsylvania en Duke University heeft een nieuwe manier aangetoond om transparante geleiders te ontwerpen met behulp van metalen nanodraden die minder dure en flexibele touchscreens mogelijk zouden maken.

Het onderzoek werd uitgevoerd door afgestudeerde student Rose Mutiso, student Michelle Sherrott en professor Karen Winey, alle van het Department of Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Ze werkten samen met afgestudeerde student Aaron Rathmell, en professor Benjamin Wiley van Duke's Department of Chemistry.

Hun studie werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het huidige industriestandaardmateriaal voor het maken van transparante geleiders is indiumtinoxide, of ITO, die als twee dunne lagen aan weerszijden van een scheidingsfilm wordt afgezet. Contact, in de vorm van een vingertop of een stylus, verandert de elektrische weerstand tussen de twee ITO-lagen voldoende zodat het apparaat kan registreren waar de gebruiker aanraakt. Hoewel dit materiaal goed presteert, de nadelen ervan hebben ertoe geleid dat industriële en academische onderzoekers naar alternatieven zijn gaan zoeken.

"Er zijn twee problemen met ITO:indium is relatief zeldzaam, dus de kosten en beschikbaarheid zijn grillig, en, belangrijker voor flexibele apparaten, het is broos, Winey zei. "We willen touchscreens maken die gebruikmaken van een netwerk van dunne, flexibele nanodraden, maar het voorspellen en optimaliseren van de eigenschappen van deze nanoschaalnetwerken was een uitdaging."

Metalen nanodraden zijn steeds goedkoper te maken en te deponeren; ze zijn gesuspendeerd in een vloeistof en kunnen gemakkelijk worden geverfd of gespoten op een flexibele of stijve ondergrond, in plaats van in vacuüm gekweekt zoals het geval is voor ITO. De uitdaging komt voort uit het feit dat dit proces een willekeurig netwerk vormt, in plaats van een uniforme laag zoals ITO.

De algehele kwaliteit van een uniform vel hangt in deze context af van slechts twee parameters, die beide betrouwbaar kunnen worden afgeleid uit de eigenschappen van het stortgoed:de transparantie, die hoog moet zijn, en zijn algehele elektrische weerstand, die laag moet zijn. Om de elektrische eigenschappen van een netwerk van nanodraden te bepalen, echter, men moet de lengte en diameter van de nanodraden weten, het gebied dat ze bestrijken en een eigenschap die bekend staat als contactweerstand, dat is de hoeveelheid weerstand die het gevolg is van elektronen die van de ene draad naar de andere gaan. De details van hoe deze vier onafhankelijke parameters de elektrische en optische eigenschappen van nanodraadnetwerken beïnvloeden, zijn onduidelijk.

"Wat dit betekent is dat mensen nanodraden gaan synthetiseren, deponeer ze in een netwerk, meet de algehele elektrische weerstand en optische eigenschappen van het netwerk en claim vervolgens de overwinning als ze een goede krijgen, " zei Winey. "Het probleem is dat ze niet weten waarom de goede goed zijn, en, slechter, ze weten niet per se waarom de slechte slecht zijn."

Bijvoorbeeld, lage algehele weerstand kan het resultaat zijn van een bepaalde synthesemethode die een paar onverwacht lange nanodraden produceerde, of een verwerkingsmethode die de contactweerstand tussen nanodraden verminderde. Zonder een manier om deze factoren te isoleren, onderzoekers kunnen niet bepalen welke combinatie van parameters het meest succesvol zal zijn.

Winey's groep heeft eerder gewerkt aan het simuleren van nanodraadnetwerken in driedimensionale nanocomposieten, met name het aantal nanodraden dat nodig is om ervoor te zorgen dat er een verbonden pad is van het ene uiteinde van het systeem naar het andere. Duke's Wiley nam kennis van dit werk en nam contact op met Winey, vroeg haar of ze geïnteresseerd zou zijn in het ontwikkelen van tweedimensionale simulaties die kunnen worden toegepast op gegevens van zilveren nanodraadnetwerken die zijn groep had gefabriceerd.

Nu Wiley's groep de lengte van de nanodraad kan leveren, diameter en oppervlaktefractie van hun netwerken, Het team van Winey kon de simulatie gebruiken om achteruit te werken vanaf de algehele elektrische weerstand van het netwerk om de ongrijpbare contactweerstand bloot te leggen. Alternatieve methoden voor het vinden van de contactweerstand zijn omslachtig en onverenigbaar met typische netwerkverwerkingsmethoden.

"Zodra we betrouwbare en relevante contactweerstanden hebben, we kunnen ons afvragen hoe we de algehele plaatweerstand kunnen verbeteren door de andere variabelen te veranderen, "Zei Mutiso. "Bij het spelen met deze simulatie, we kunnen zien hoeveel beter onze netwerken worden als we de lengte van de nanodraden vergroten, bijvoorbeeld."

De simulatie van het Penn-team levert verder bewijs voor de rol van elke variabele in de algehele prestaties van het netwerk, de onderzoekers helpen bij het vinden van de juiste balans van eigenschappen voor specifieke toepassingen. Het dekkingsgebied van nanodraden vergroten, bijvoorbeeld, verlaagt altijd de algehele elektrische weerstand, maar het vermindert ook de optische transparantie; naarmate meer en meer nanodraden op de netwerken worden opgestapeld, lijken grijs, in plaats van transparant.

"Voor specifieke toepassingen en verschillende soorten nanodraden, de optimale oppervlaktefractie zal anders zijn, " zei Winey. "Deze simulatie laat ons zien hoeveel nanodraden we moeten aanbrengen om de Goudlokje-zone te bereiken, waar je de beste mix van transparantie en weerstand krijgt."

Toekomstige samenwerkingen tussen Winey's team bij Penn en de Wiley-groep bij Duke zullen deze simulatie gebruiken om het effect van verschillende verwerkingstechnieken op nanodraden te testen, het lokaliseren van het effect dat verschillende verwerkingsmethoden na het neerslaan hebben op de contactweerstand en uiteindelijk op de algehele plaatweerstand.

"We kunnen nu rationele vergelijkingen maken tussen verschillende draden, evenals verschillende verwerkingsmethoden voor verschillende draden, om de laagste contactweerstand te vinden, onafhankelijk van de lengte van de nanodraad, diameter en oppervlaktefractie, " zei Winey. "Nu we weten waar alle hendels zijn, we kunnen ze een voor een gaan aanpassen."

In de volgende generatie modelleringsstudies, het Penn-team zal verschillende aanvullende parameters overwegen die een rol spelen bij de prestaties van nanodraadnetwerken voor transparante geleiders, inclusief nanodraadoriëntatie, om nanodraadnetwerken na te bootsen die zijn geproduceerd door verschillende continue depositiemethoden, evenals de mate waarin individuele nanodraden variëren in lengte of diameter.