En upptäckt av ett forskarlag vid NDSU och National Institute of Standards and Technology visar att flexibiliteten och hållbarheten hos kolnanorörsfilmer och -beläggningar är intimt kopplade till deras elektroniska egenskaper. Forskningen kan en dag påverka flexibla elektroniska enheter som solceller och bärbara sensorer. Forskningen gav också en lovande ung gymnasieelever chansen att arbeta i labbet med forskare i världsklass, startar hennes potentiella vetenskapliga karriär.
Forskargruppen, ledd av Erik Hobbie, arbetar för att avgöra varför tunna filmer gjorda av metalliska enkelväggiga kolnanorör är överlägsna för potentiella tillämpningar som kräver både elektronisk prestanda och mekanisk hållbarhet. "En enkel anledning är att de metalliska nanorören tenderar att transportera laddning lättare när de rör vid varandra, sa Hobbie. "Men en annan mindre uppenbar anledning har att göra med hur mycket filmerna kan böjas utan att ändra sin struktur i mycket små skalor."
Resultat från studien visas i "Electronic Durability of Flexible Transparent Films from Type-Specific Single-Wall Carbon Nanorubes, ” publicerad i ACS Nano.
Teamet inkluderar NDSU doktorand John M. Harris; postdoktor Ganjigunte R. Swathi Iyer; Anna K. Bernhardt, Deltagare i North Dakota Governor's School; och NIST-forskarna Ji Yeon Huh, Steven D. Hudson och Jeffrey A. Fagan.
Det finns ett stort intresse för att använda kolnanorörsfilmer och -beläggningar som flexibla transparenta elektroder i elektroniska enheter som solceller. "Vår forskning visar att flexibiliteten och hållbarheten hos dessa filmer är intimt kopplade till deras elektroniska egenskaper, sa Hobbie. ”Det här är en mycket ny idé, så förhoppningsvis, det kommer att generera en ny serie studier och frågor fokuserade på det exakta ursprunget och konsekvenserna av denna effekt.”
Sådan forskning kan potentiellt resultera i material som minskar solcellskostnaderna och leder till möjligheten att använda dem i kläder eller vikbar elektronik. Elektroniska enheter som för närvarande finns på marknaden som kräver transparenta elektroder, som pekskärmar och solceller, använder vanligtvis indiumtennoxid, ett allt dyrare material. "Det är också väldigt skört, sa Hobbie, "antyder att den inte kan användas i enheter som kräver mekanisk flexibilitet som bärbar eller hopfällbar elektronik."
Enväggiga kolnanorör visar betydande löften som transparenta ledande beläggningar med enastående elektronisk, mekaniska och optiska egenskaper. "En särskilt attraktiv egenskap hos dessa filmer är att de fysiska egenskaperna kan ställas in genom addition eller subtraktion av ett relativt litet antal nanorör, sa Hobbie. ”Tunna filmer tillverkade av sådana material har en enorm potential för flexibla elektronikapplikationer, inklusive utbyte av indiumtennoxid i flytande kristallskärmar och fotovoltaiska enheter. ”
Tunna filmer gjorda av metalliska enkelväggiga kolnanorör visar bättre hållbarhet som flexibla transparenta ledande beläggningar, som forskarna tillskriver en kombination av överlägsen mekanisk prestanda och högre gränssnittskonduktivitet. Forskargruppen fann betydande skillnader i de elektroniska manifestationerna av tunnfilmsrynkor, beroende på den elektroniska typen av nanorör, och undersökte de bakomliggande mekanismerna.
Resultaten av studien tyder på att metallfilmerna gör bättre flexibla transparenta ledande beläggningar; de har högre ledningsförmåga och är mer hållbara. ”Våra resultat är relevanta för ett antal pågående insatser för transparenta ledande filmer och flexibla elektroniska enheter, sa Hobbie.
Forskningen stöddes av National Science Foundation genom CMMI-0969155 och US Department of Energy genom DE-FB36-08GO88160.
