Detta med titeln, En tvärsnittsbild med svepelektronmikroskop visar nanotrådar av silver som har svetsats samman av i en ny teknik utvecklad vid Stanford. Kredit:Mark Brongersma, Stanford University
På nanonivå, forskare vid Stanford har upptäckt ett nytt sätt att svetsa ihop maskor av små trådar. Deras arbete kan leda till spännande ny elektronik och solenergiapplikationer. Att lyckas, de kallade på plasmonics.
Ett område av intensiv forskning på nanoskala är skapandet av elektriskt ledande nät gjorda av metall nanotrådar. Utlovar exceptionell elektrisk genomströmning, låg kostnad och enkel bearbetning, ingenjörer förutser en dag då sådana nät är vanliga i nya generationer av pekskärmar, videoskärmar, lysdioder och tunnfilmssolceller.
Står i vägen, dock, är ett stort tekniskt hinder:inom bearbetning, dessa ömtåliga nät måste värmas eller pressas för att förena det korsade mönstret av nanotrådar som bildar nätet, skada dem i processen.
I en artikel som just publicerats i tidskriften Naturmaterial , ett team av ingenjörer på Stanford har demonstrerat en lovande ny nanotrådssvetsteknik som utnyttjar plasmonics för att smälta samman ledningarna med en enkel ljussprängning.
Självbegränsande
Kärnan i tekniken är plasmonikens fysik, samspelet mellan ljus och metall där ljuset strömmar över metallens yta i vågor, som vatten på stranden.
"När två nanotrådar låg korsade, vi vet att ljus kommer att generera plasmonvågor på platsen där de två nanotrådarna möts, skapa en hot spot. Det fina är att de heta fläckarna bara existerar när nanotrådarna berör, inte efter att de har smält. Svetsningen stoppar av sig själv. Det är självbegränsande, " förklarade Mark Brongersma, en docent i materialvetenskap vid Stanford och expert på plasmonik. Brongersma är en av studiens seniorförfattare.
"Resten av ledningarna och, lika viktigt, det underliggande materialet är opåverkat, " noterade Michael McGehee, en materialingenjör och senior författare till tidningen. "Denna förmåga att värma med precision ökar kontrollen avsevärt, hastighet och energieffektivitet för svetsning i nanoskala."
I före- och efter-elektron-mikroskopbilder, individuella nanotrådar är visuellt distinkta före belysning. De låg ovanpå varandra, som två fallna träd i skogen. När den är upplyst, den övre nanotråden fungerar som en slags antenn, riktar plasmonvågorna av ljus in i bottentråden och skapar värme som svetsar samman trådarna. Efterbelysningsbilder visar X-liknande nanotrådar som ligger platt mot underlaget med sammanfogade fogar.
Genomskinlighet
Förutom att göra det lättare att producera starkare och bättre presterande nanotrådsnät, forskarna säger att den nya tekniken kan öppna möjligheten för mesh-elektroder bundna till flexibla eller transparenta plaster och polymerer.
För att visa på möjligheterna, de applicerade sitt nät på Saran wrap. De sprayade en lösning som innehöll silver nanotrådar i suspension på plasten och torkade den. Efter belysning, det som fanns kvar var ett ultratunt lager av svetsade nanotrådar.
"Sedan bollade vi ihop det som ett papper. När vi vecklade ut omslaget, den bibehöll sina elektriska egenskaper, " sa medförfattaren Yi Cui, en docent i materialvetenskap och teknik. "Och när du håller upp den, det är praktiskt taget transparent."
Detta kan leda till billiga fönsterbeläggningar som genererar solenergi samtidigt som de minskar bländning för dem inuti, sa forskarna.
"I tidigare svetstekniker som använde en värmeplatta, detta hade aldrig varit möjligt, sa huvudförfattaren, Erik C. Garnett, PhD, en postdoktor i materialvetenskap som arbetar med Brongersma, McGehee och Cui. "Saran-omslaget skulle ha smält mycket tidigare än silvret, förstöra enheten omedelbart."
"Det finns många möjliga tillämpningar som inte ens skulle vara möjliga i äldre glödgningstekniker, ", sa Brongersma. "Detta öppnar några intressanta, enkla och stora bearbetningsscheman för elektroniska enheter — solenergi, LED-lampor och pekskärmar, framförallt."