Ingenjörer vid Oregon State University har gjort ett grundläggande genombrott för att förstå fysiken för fotonisk "sintring, "vilket kan leda till många nya framsteg inom solceller, flexibel elektronik, olika typer av sensorer och andra högteknologiska produkter tryckta på något så enkelt som ett pappersark eller plast.
Sintring är sammansmältning av nanopartiklar för att bilda en fast, funktionell tunnfilm som kan användas för många ändamål, och processen kan ha stort värde för ny teknik.
Fotonisk sintring har den möjliga fördelen med högre hastighet och lägre kostnad, jämfört med annan teknik för sintring av nanopartiklar.
I den nya forskningen, OSU -experter upptäckte att tidigare metoder för att förstå och kontrollera fotonisk sintring hade baserats på en bristfällig syn på den grundläggande fysiken som berörs, vilket hade lett till en grov överskattning av produktkvalitet och processeffektivitet.
Baserat på det nya perspektivet på denna process, som har beskrivits i Nature's Vetenskapliga rapporter , forskare tror nu att de kan skapa högkvalitativa produkter vid mycket lägre temperaturer, minst dubbelt så snabbt och med 10 gånger mer energieffektivitet.
Ta bort begränsningar av produktionstemperaturer, hastighet och kostnad, säger forskarna, bör göra det möjligt att skapa många nya högteknologiska produkter tryckta på underlag så billiga som papper eller plastfolie.
"Fotonisk sintring är ett sätt att deponera nanopartiklar på ett kontrollerat sätt och sedan sammanfoga dem, och det har varit av stort intresse, "sa Rajiv Malhotra, en biträdande professor i maskinteknik vid OSU College of Engineering. "Tills nu, dock, vi förstod inte riktigt den bakomliggande fysiken i vad som hände. Det var tänkt, till exempel, att temperaturförändringen och fusionsgraden inte var relaterade - men faktiskt spelar det stor roll. "
Med begreppen som beskrivs i den nya studien, dörren är öppen för exakt temperaturkontroll med mindre nanopartikelstorlekar. Detta möjliggör ökad processhastighet och högkvalitativ produktion vid temperaturer som är minst två gånger lägre än tidigare. En inneboende "självdämpande" effekt identifierades som har stor inverkan på att uppnå önskad kvalitet på den färdiga filmen.
"Lägre temperatur är en viktig nyckel, "Sa Malhotra." För att sänka kostnaderna, vi vill skriva ut dessa nanoteksprodukter på saker som papper och plast, som skulle brinna eller smälta vid högre temperaturer. Vi vet nu att det är möjligt, och hur man gör. Vi borde kunna skapa produktionsprocesser som är både snabba och billiga, utan kvalitetsförlust. "
Produkter som kan utvecklas från forskningen, Malhotra sa, inkluderar solceller, gassensorer, radiofrekvensidentifieringstaggar, och ett brett utbud av flexibel elektronik. Bärbara biomedicinska sensorer kan dyka upp, tillsammans med nya sensorer för miljöapplikationer.
I denna teknik, ljus från en xenonlampa kan sändas över relativt stora områden för att smälta nanopartiklar till funktionella tunna filmer, mycket snabbare än med konventionella termiska metoder. Det bör vara möjligt att skala upp processen till stora tillverkningsnivåer för industriellt bruk.
Detta förskott möjliggjordes av ett fyraårigt 1,5 miljoner dollar National Science Foundation Scalable Nanoman Manufacturing Grant, som fokuserar på att överskrida de vetenskapliga hindren för industriell produktion av nanomaterial. Medarbetare på OSU inkluderar Chih-hung Chang, Alan Wang och Greg Herman.
OSU-forskare kommer att arbeta med två tillverkare i den privata industrin för att skapa en proof-of-concept-anläggning i laboratoriet, som nästa steg för att föra denna teknik mot kommersiell produktion.
