Onderzoekers van Skoltech, MIPT en elders hebben een snelle en goedkope manier gevonden om geometrische patronen in koolstofnanobuisjesfilms te creëren. De resulterende films bleken superieure eigenschappen te hebben voor de productie van componenten voor 6G-communicatieapparatuur en flexibele en transparante elektronica, zoals draagbare gezondheidstrackers. De patroonvormingsmethode wordt gedetailleerd beschreven in een artikel in het Chemical Engineering Journal .

Net als andere materialen hebben koolstofnanobuisjes meerdere organisatieniveaus. Op atomair niveau kan een enkelwandige nanobuis worden gevisualiseerd als een 2D-vel van koolstofatomen (grafeen) dat in een cilinder is gerold. Dergelijke cilinders kunnen aan elkaar plakken en dikkere vezels vormen.

De vezels kunnen zich met elkaar verbinden tot een enorm, poreus 3D-netwerk, waarbij mogelijk een oppervlak als een dunne laag wordt bedekt:een film van koolstofnanobuisjes. Je kunt nog een stap verder gaan en de film zelf aanpassen, bijvoorbeeld door een deel van het materiaal te verwijderen en er zo een geometrisch patroon op te leggen.

"Ons team bedacht een zeer efficiënte manier om dit te doen en gebruikte deze om een ​​gaasvormige koolstofnanobuisfilm te maken. Vroeger werd dit bereikt door letterlijk veel gaten in een film te branden. Het idee is om de film transparanter te maken de kosten van een bepaalde elektrische geleidbaarheid.

"We eindigen met een transparante geleider die kan buigen, en dat is in feite de definitie van een optische elektrode voor flexibele transparante elektronische apparaten, zoals biosensoren die de hartslag, ademhaling en bloedoxygenatie van de drager controleren", studeerde co-auteur Assistent Professor Dmitry Krasnikov van Skoltech Photonics zei, en voegde eraan toe dat de mesh-structuur ook kan dienen als diffractierooster, een component die potentieel bruikbaar is bij de ontvangst van 6G-signalen.

Momenteel zijn er twee hoofdmethoden voor het produceren van koolstofnanobuisfilms met patronen. Of je maakt een doorlopende film en brandt er gaten in, waarbij je tot 90% van het materiaal opoffert, wat duidelijk niet erg economisch is. Of anders moet er heel fijne lithografie worden gebruikt om de patroonfilm helemaal opnieuw te vervaardigen.

Maar ook dat proces is tamelijk duur en complex en omvat meerdere stappen en het gebruik van vloeibare oplossingen, die de neiging hebben de film te vervuilen met onzuiverheden en de eigenschappen ervan aan te tasten.

"Onze aanpak heeft een aantal voordelen", legt de hoofdonderzoeker van het onderzoek, professor Albert Nasibulin van Skoltech Photonics, uit. "Het is reproduceerbaar, redelijk snel en goedkoop, en veelzijdig. Er worden geen vloeibare oplossingen gebruikt, wat de methode schoner maakt en een hoge kwaliteit garandeert. Sterker nog, de transparantie-geleidbaarheidsverhouding van het gaas - wat tot nu toe het belangrijkste cijfer van verdienste is zoals optische elektroden dat doen – is twaalf keer beter dan die van een continue film.

"In dat opzicht presteert de nieuwe techniek beter dan fijne lithografie en staat deze op één lijn met de relatief verspillende aanpak waarbij je het extra materiaal wegbrandt (en verliest!). We kunnen ook andere patronen dan meshes creëren."

Dus hoe werkt het? Eerst maken de onderzoekers een koperen sjabloon van het patroon – in dit geval een vierkante maas – door het met een laser uit koperfolie te snijden. Vervolgens nemen ze een nitrocellulosemembraanfilter, bedekken dit met het sjabloon en spuwen er koperdeeltjes op, waardoor er effectief een complementair patroon ontstaat.

Als je vervolgens koolstofnanobuisjes op het filter deponeert, nemen deze het beoogde maaspatroon aan, omdat het gesputterde koper ze afstoot. En aangezien de resulterende patroonfilm niet aan koper of nitrocellulose kleeft, is deze eenvoudig over te brengen naar een ander substraat door simpelweg een stuk rubber, glas of ander materiaal tegen het filter te drukken.

De wetenschappers testten de diffractie-eigenschappen van de roosters, geprepareerd als 2D-mazen op een dunne laag elastisch materiaal (elastomeer). Een terahertz-spectrometer registreerde duidelijk de diffractiepieken die bekend zijn uit het opticagedeelte van elke algemene natuurkundecursus, alleen dat die pieken niet in zichtbaar licht werden waargenomen, maar in de THz-frequentieband, die overeenkomt met golflengten van ongeveer 1 millimeter en tussen infrarood licht ligt. en magnetrons.

De onderzoekers strekten het elastische substraat uit, waardoor de roosterperiode varieerde, en registreerden de bijbehorende diffractiepiekverschuivingen in strikte overeenstemming met de bekende optische wetten.

"Het gemak, de eenvoud en de relatief lage kosten van het vervaardigen van structuren op basis van nanobuisfilms, gecombineerd met de efficiënte quasi-optische THz-spectroscopiemethode (met behulp van invallende THz-stralingsbundel in de open ruimte) maken enorme mogelijkheden mogelijk voor het vervaardigen en testen van de prestaties van allerlei soorten van een tweedimensionale structuur op basis van nanobuisjes, die kunnen worden ingebouwd in verschillende apparaten en componenten met behulp van THz-straling", aldus co-auteur Boris Gorshunov, hoofd van het Terahertz Spectroscopy Lab bij MIPT.

Het team zal binnenkort soortgelijke experimenten rapporteren met andere geometrische patronen dan meshes (concentrische cirkels en spiralen) voor geavanceerde THz-beeldvorming. Dit verwijst naar een veilige en niet-invasieve technologie voor veiligheidsonderzoeken en medische onderzoeken die afhankelijk is van straling in de band tussen microgolven en infrarood licht.

Meer informatie: Ilya V. Novikov et al, Snelle vloeistofvrije patroonvorming van SWCNT-films voor elektronische en optische toepassingen, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733

Journaalinformatie: Tijdschrift voor chemische technologie

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie