Onderzoekers van Lehigh University hebben voor het eerst vastgesteld dat een prestatieverbetering in de elektrische geleidbaarheid van willekeurige metalen nanodraadnetwerken kan worden bereikt door de oriëntatie van nanodraad enigszins te beperken. Het meest verrassende resultaat van het onderzoek is dat zwaar geordende configuraties niet beter presteren dan configuraties met enige mate van willekeur; willekeur in het geval van metalen nanodraadoriëntaties werkt om de geleidbaarheid te verhogen.

De studie, Geleidbaarheid van nanodraadarrays onder willekeurige en geordende oriëntatieconfiguraties, wordt gepubliceerd in het huidige nummer van Natuur journaal Wetenschappelijke rapporten . Het onderzoek is uitgevoerd door Nelson Tansu, Daniel E. '39 en Patricia M. Smith bijzonder hoogleraar in Lehigh's Centre for Photonics and Nanoelectronics en Department of Electrical and Computer Engineering, en hoofdauteur Milind Jagota, een middelbare scholier in Bethlehem.

Transparante geleiders zijn op grote schaal nodig voor flatscreens, aanraakschermen, zonnepanelen, en lichtgevende dioden, tussen vele andere technologieën. Momenteel, Indium Tin Oxide (ITO) is het meest gebruikte materiaal voor transparante geleiders vanwege de hoge geleidbaarheid en hoge transparantie. Echter, ITO-gebaseerde technologie heeft verschillende problemen. Het materiaal is schaars, duur om te vervaardigen en broos, een bijzonder ongewenste eigenschap voor alles wat in deze moderne tijd van flexibele elektronica wordt gebruikt.

Onderzoekers die op zoek zijn naar een vervanging voor ITO, gebruiken steeds vaker willekeurige netwerken van metalen nanodraden om ITO te evenaren in zowel transparantie als geleidbaarheid. Op metalen nanodraad gebaseerde technologieën vertonen een betere flexibiliteit en zijn meer compatibel met productieprocessen dan ITO-films. De technologie, echter, bevindt zich nog in een vroege ontwikkelingsfase en de prestaties moeten worden verbeterd. Huidig ​​onderzoek is gericht op het effect van staaforiëntatie op de geleidbaarheid van netwerken om de prestaties te verbeteren.

In dit werk, Lehigh-onderzoekers ontwikkelden een rekenmodel voor simulatie van metalen nanodraadnetwerken, die het proces naar het idealiseren van de configuratie van nanodraden zou moeten versnellen. Het model voorspelt bestaande experimentele resultaten en eerder gepubliceerde computationele resultaten.

De onderzoekers gebruikten dit model vervolgens om voor het eerst resultaten te extraheren over hoe de geleidbaarheid van willekeurige metalen nanodraadnetwerken wordt beïnvloed door verschillende oriëntatiebeperkingen van verschillende willekeur. Er worden twee verschillende oriëntatieconfiguraties gerapporteerd.

In de eerste, een uniforme verdeling van oriëntaties over het bereik (-θ, θ) ten opzichte van een horizontale lijn wordt gebruikt. In de seconde, een verdeling van oriëntaties over het bereik [-θ] ∪ [θ] wordt gebruikt, ook met betrekking tot een horizontale lijn. In elk geval wordt θ geleidelijk verlaagd van 90° naar 0°. Geleidbaarheid wordt gemeten in zowel richtingen parallel als loodrecht op de uitlijning.

Onderzoekers ontdekten dat een significante verbetering van de geleidbaarheid parallel aan de uitlijnrichting kan worden verkregen door de oriëntatie van de uniforme verdeling enigszins te beperken. Deze verbetering, echter, gaat ten koste van een grotere daling van de loodrechte geleidbaarheid. De algemene vorm van deze resultaten komt overeen met die van onderzoekers die experimenteerden met koolstofnanobuisfilms. Verrassend genoeg, er werd vastgesteld dat het zeer geordende tweede geval niet in staat is om isotrope netwerken te overtreffen voor een waarde van θ; waarmee wordt aangetoond dat continue oriëntatieconfiguraties met een zekere mate van willekeur de voorkeur hebben boven sterk geordende configuraties.

Voorafgaand onderzoek op dit gebied heeft de effecten van oriëntatie op de geleidbaarheid van 3D-composieten van koolstofnanobuisjes bestudeerd, vinden dat een lichte mate van uitlijning de geleidbaarheid verbetert. Er zijn rekenmodellen gebruikt om te bestuderen hoe de percolatiekans van 2D willekeurige staafdispersies wordt beïnvloed door de oriëntatie van de staaf. Anderen hebben een meer geavanceerd rekenmodel ontwikkeld dat in staat is om de geleidbaarheid van 3D-staafdispersies te berekenen, waarbij wederom werd vastgesteld dat een geringe mate van axiale uitlijning de geleidbaarheid verbetert.

"Metalen nanodraadnetwerken tonen een groot potentieel voor toepassing in verschillende vormen van technologie, "zei Jagota. "Dit rekenmodel, die zich nauwkeurig heeft bewezen door zijn goede aansluiting op eerder gepubliceerde gegevens, heeft kwantitatief aangetoond hoe verschillende oriëntatieconfiguraties de geleidbaarheid van metalen nanodraadnetwerken kunnen beïnvloeden."

"Beperking van de oriëntatie kan de geleidbaarheid in een enkele richting aanzienlijk verbeteren, die relevant kan zijn in een verscheidenheid aan technologieën waar stroom slechts in één richting nodig is, "zei Tansu. "Verrassend genoeg, sterk gecontroleerde oriëntatieconfiguraties vertonen geen superieure geleidbaarheid; een zekere mate van willekeur in oriëntatie werkt in feite om de geleidbaarheid van de netwerken te verbeteren. Deze benadering kan enorme gevolgen hebben voor het verbeteren van de stroomspreiding in opto-elektronische apparaten, specifiek op diep ultraviolette zender met slechte p-type contactlaag."