I det enkla, högupplöst polymermönstringsmetod, en infraröd laser mönster en datorgenererad bild på en DVD belagd med en film av ledande polyanilin nanofibrer. Bildkredit:Stark, et al. ©2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) -- Organisk elektronik – de som involverar kolbaserade ledare istället för traditionell koppar eller kisel – har ett antal fördelar jämfört med metallelektronik, inklusive deras låga vikt, flexibilitet, högre effektivitet, och lägre kostnad. Men en av de största sakerna som håller dem tillbaka är avsaknaden av en enkel, lågkostnadsmetod för att mönstra och trycka organiskt material. Nu i en ny studie, ett team av forskare från USA och Australien har utvecklat en mönstringsteknik där ledande polymerer kan skrivas ut med en billig infraröd laser på en vanlig CD eller DVD med den kommersiellt tillgängliga LightScribe-tekniken.
Som R. Kaner från University of California, Los Angeles, tillsammans med G. Wallace från University of Wollongong, Australien, och medförfattare förklarar i sin studie i ett färskt nummer av Nanobokstäver , den enkla men effektiva polymermönstertekniken skulle kunna driva många nuvarande proof-of-concept organiska enheter till storskalig tillverkning. Dessa enheter inkluderar organiska ljusemitterande dioder, organiska tunnfilmstransistorer, och organiska mikroaktuatorer.
LightScribe, som utvecklades av ingenjörer på Hewlett-Packard, använder den infraröda lasern inuti en CD/DVD-enhet för att spela in data på en CD- eller DVD-skiva, samt skriva ut etiketter som innehåller text och bilder på skivornas yta. För att göra dessa etiketter, lasern pulserar upp och ner för att kemiskt aktivera en specialiserad färgbeläggning på skivans yta.
Istället för att skriva ut på denna specialiserade beläggning, här täckte forskarna skivan med en film av ledande polyanilin nanofibrer, som sedan kan tryckas direkt på. När ljus från den infraröda lasern absorberas av den nanostrukturerade polyanilinen, en ovanlig fototermisk effekt uppstår, där polymeren omvandlar det mesta av sitt absorberade ljus till värme.
Den alstrade värmen "laser-svetsar, " eller tvärlänkar, molekylkedjorna och supramolekylära fibrerna tillsammans för att förändra ytmorfologin för en liten yta av polymeren. Efter laserbehandling, det svetsade området av polymeren ändras från en trasslig nanofibrös matta till en slät, kontinuerlig film som ett resultat av kemisk tvärbindning. Eftersom polyanilin nanofibrer är dåliga värmeledare, värmen sprider sig inte utanför laserlinjerna, vilket resulterar i en väldefinierad separation mellan de svetsade och icke-svetsade områdena. Laserlinjen som sänds ut av den infraröda lasern i CD/DVD-enheten har en diameter på cirka 0,7-1 µm, möjliggör exceptionell upplösning och precision.
Förutom den höga upplösningen, lasersvetsmetoden ger också en hög grad av kontroll över ledningsförmågan och optiska egenskaper hos den svetsade ledande polymeren, vilket inte är möjligt med tidigare tillvägagångssätt för polymermönster. Svetsade områden visar en signifikant minskning av filmens konduktivitet, som forskarna tillskriver förlusten av dopämnen och pi-konjugering under tvärbindningsprocessen. De visar hur utskrift i gråskala kan ställa in polymerens ledningsförmåga, med ljusare gråskalefärger som har högre ledningsförmåga. Med möjligheten att skriva ut gråskalefärger från vitt till svart, forskarna kunde ställa in polyanilin nanofiberfilmen från halvledare till isolator, representerar en förändring i konduktivitet på cirka 7 storleksordningar.
Även om idén att använda ett kommersiellt etikettskrivsystem för att skriva ut organiska elektroniska enheter låter ganska enkel, Veronica Strong från University of California, Los Angeles, förklarade att det inte gör det till det självklara förstahandsvalet för ett forskningslabb.
För att demonstrera den höga upplösningen av mönstringsmetoden, forskarna använde den infraröda lasern för att mönstra logotyperna för UCLA och University of Wollongong på skivor. Bildkredit:Stark, et al. ©2011 American Chemical Society
"Det finns flera anledningar till att denna teknik inte har visats tidigare, " berättade hon PhysOrg.com . "En av dessa anledningar är att när vi började våra första tester, LightScribe hade bara funnits i mindre än sex år. Än, mer viktigt, denna typ av teknik finns inte traditionellt i laboratoriemiljöer och det skulle inte heller vara det första man tänker på när man testar idéer. Att kombinera denna teknik med ledande polymerer skulle ha krävt en forskargrupp som var specifikt på marknaden för en ny mönstringsteknik och egenskapsinställning av ledande polymerer. Vår grupp gjorde precis det när idén först föreslogs; faktiskt, vi hade precis uttömt all laserteknik som traditionellt används i laboratoriemiljö. Så när en medarbetare föreslog en DVD-spelare med LightScribe-teknik, vi var bara tvungna att prova det."
Bland dess potentiella användningsområden, den nya tekniken kan också leda till tillämpningar genom dopning. Forskarna fann att de svetsade områdena inte längre reagerar på reversibel dopning/avdoping med syror eller baser, medan de icke svetsade områdena fortsätter att påverkas av doping. Denna egenskap kan vara särskilt användbar för att mönstra uppladdningsbara elektroder för batterier eller superkondensatorer, som drar nytta av selektiv dopning för att möjliggöra snabba laddnings-/urladdningshastigheter.
Forskarna visade också att polymerens färg kan kontrolleras genom att kontrollera vissa egenskaper, såsom startoxidationstillståndet, laserintensiteten, och graden av tvärbindning. Också, olika polyanilinderivat absorberar ljus olika, vilket leder till ytterligare färgvariationer.
I framtiden, forskarna planerar att vidareutveckla denna idé genom att tillverka elektroniskt aktiva enheter. De förutspår att den enkla lasersvetstekniken kommer att fungera som ett viktigt steg mot att mönstra polymerbaserad organisk elektronik i stor skala. Tekniken kan användas för att mönstra en mängd olika ledande polymer nanofibrer förutom polyanilin, och dessa polymerer kan tryckas på många olika substrat, inklusive papper. Nästan alla mönster kan skrivas ut, och samma bild kan skrivas ut upprepade gånger på samma film för att öka kontrasten. Utan behov av fotoresist, masker, eller efterbehandlingsbehandling som många andra tekniker, den nya metoden erbjuder en enstegsstrategi som potentiellt kan ha mycket breda konsekvenser.
"För närvarande denna teknik skulle vara särskilt användbar för att tillverka bättre ledande membran, mikrofluidik, och helt ekologiska elektroniska enheter, " sa Strong. "Den intellektuella drivkraften bakom detta arbete var att visa att vi för närvarande har de verktyg som krävs för att göra kostnadseffektiva, flexibla organiska och elektroniskt aktiva enheter. Vi hoppas att vi kan hjälpa till att driva det out-of-the-box-tänkandet genom att utveckla nya metoder som använder våra idéer för tillverkning av enheter.”
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
