Elektroniska enheter med pekskärmar finns överallt, och en viktig del av tekniken gör dem möjliga:transparenta ledare. Dock, kostnaden och de fysiska begränsningarna för materialet dessa ledare vanligtvis är gjorda av hämmar utvecklingen mot flexibla pekskärmsenheter.

Lyckligtvis, ett forskningssamarbete mellan University of Pennsylvania och Duke University har visat ett nytt sätt att designa genomskinliga ledare med nanotrådar av metall som kan möjliggöra billigare och flexibla pekskärmar.

Forskningen utfördes av doktoranden Rose Mutiso, undergraduate Michelle Sherrott och professor Karen Winey, alla av Institutionen för materialvetenskap och teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbetade med doktoranden Aaron Rathmell, och professor Benjamin Wiley från Duke's Department of Chemistry.

Deras studie publicerades i tidskriften ACS Nano .

Det nuvarande industristandardmaterialet för att göra transparenta ledare är indiumtennoxid, eller ITO, som avsätts som två tunna lager på vardera sidan av en separatorfilm. Kontakt, i form av en fingertopp eller en penna, ändrar det elektriska motståndet mellan de två ITO-lagren tillräckligt så att enheten kan registrera var användaren rör vid. Även om detta material fungerar bra, dess nackdelar har fått industriella och akademiska forskare att leta efter alternativ.

"Det finns två problem med ITO; indium är relativt sällsynt, så dess kostnad och tillgänglighet är ojämn, och, ännu viktigare för flexibla enheter, det är skört, " sa Winey. "Vi skulle vilja göra pekskärmar som använder ett nätverk av tunna, flexibla nanotrådar, men att förutsäga och optimera egenskaperna hos dessa nätverk i nanoskala har varit en utmaning."

Nanotrådar av metall blir allt billigare att tillverka och deponera; de är suspenderade i en vätska och kan lätt målas eller sprutas på ett flexibelt eller styvt underlag, snarare än att växa i vakuum som är fallet för ITO. Utmaningen härrör från det faktum att denna process bildar ett slumpmässigt nätverk, snarare än ett enhetligt lager som ITO.

En enhetlig plåts övergripande kvalitet i detta sammanhang beror endast på två parametrar, som båda på ett tillförlitligt sätt kan härledas från bulkmaterialets egenskaper:dess transparens, som borde vara hög, och dess totala elektriska motstånd, som borde vara låg. För att bestämma de elektriska egenskaperna för ett nätverk av nanotrådar, dock, man behöver veta nanotrådarnas längd och diameter, området de täcker och en egenskap som kallas kontaktmotstånd, vilket är mängden motstånd som uppstår när elektroner färdas från en tråd till en annan. Detaljerna om hur dessa fyra oberoende parametrar påverkar de elektriska och optiska egenskaperna hos nanotrådsnätverk har varit oklara.

"Vad detta betyder är att människor kommer att syntetisera nanotrådar, sätta in dem i ett nätverk, mäta nätverkets totala elektriska resistans och optiska egenskaper och ta sedan segern när de får en bra, " sa Winey. "Problemet är att de inte vet varför de bra är bra, och, värre, de vet inte nödvändigtvis varför de dåliga är dåliga."

Till exempel, lågt totalt motstånd kan vara resultatet av en speciell syntesmetod som producerade några oväntat långa nanotrådar, eller en bearbetningsmetod som minskade kontaktresistansen mellan nanotrådar. Utan ett sätt att isolera dessa faktorer, forskare kan inte avgöra vilken kombination av parametrar som kommer att vara mest framgångsrik.

Wineys grupp har tidigare arbetat med att simulera nanotrådsnätverk i tredimensionella nanokompositer, särskilt antalet nanotrådar som krävs för att säkerställa att det finns en ansluten väg från ena änden av systemet till den andra. Duke's Wiley noterade detta arbete och kontaktade Winey, frågade henne om hon skulle vara intresserad av att utveckla tvådimensionella simuleringar som kunde tillämpas på data från silvernanotrådsnätverk som hans grupp hade tillverkat.

Med Wileys grupp som kan tillhandahålla nanotrådslängden, diameter och areadel av deras nätverk, Wineys team kunde använda simuleringen för att arbeta bakåt från nätverkets totala elektriska motstånd för att avslöja det svårfångade kontaktmotståndet. Alternativa metoder för att hitta kontaktresistansen är arbetskrävande och inkompatibla med typiska nätverksbearbetningsmetoder.

"När vi har tillförlitliga och relevanta kontaktmotstånd, vi kan börja fråga hur vi kan förbättra det totala arkmotståndet genom att ändra de andra variablerna, " sade Mutiso. "När jag lekte med den här simuleringen, vi kan se hur mycket bättre våra nätverk blir när vi ökar längden på nanotrådarna, till exempel."

Penn-teamets simulering ger ytterligare bevis för varje variabels roll i det övergripande nätverkets prestanda, hjälpa forskarna att hitta rätt balans mellan egenskaper för specifika tillämpningar. Öka täckningsområdet för nanotrådar, till exempel, minskar alltid det totala elektriska motståndet, men det minskar också den optiska transparensen; När fler och fler nanotrådar staplas på nätverken verkar de gråa, snarare än transparent.

"För specifika applikationer och olika typer av nanotrådar, den optimala areadelen kommer att vara annorlunda, " Sa Winey. "Denna simulering visar oss hur många nanotrådar vi behöver använda för att nå Goldilocks-zonen där du får den bästa blandningen av transparens och motstånd."

Framtida samarbeten mellan Wineys team på Penn och Wiley-gruppen på Duke kommer att använda denna simulering för att testa effekten av olika bearbetningstekniker på nanotrådar, pekar ut vilken effekt olika bearbetningsmetoder efter avsättning har på kontaktmotståndet och slutligen på det totala arkmotståndet.

"Vi kan nu göra rationella jämförelser mellan olika ledningar, samt olika bearbetningsmetoder för olika trådar, för att hitta det lägsta kontaktmotståndet oberoende av nanotrådens längd, diameter och ytandel, " sa Winey. "Nu när vi vet var alla spakar är, vi kan börja justera dem en i taget."

I nästa generations modelleringsstudier, Penn-teamet kommer att överväga flera ytterligare parametrar som påverkar prestandan hos nanotrådnätverk för transparenta ledare, inklusive nanotrådsorientering, att efterlikna nanotrådnätverk som produceras med olika kontinuerliga deponeringsmetoder, samt i vilken grad enskilda nanotrådar varierar i längd eller diameter.