Schematiskt diagram över beredningen av trä nanocellulosa-härledda nano-halvledare med anpassningsbara elektriska egenskaper och 3D-strukturer. Kredit:2022 Koga et al. Nanocellulosapappershalvledare med en 3D-nätverksstruktur och dess nano-mikro-makro trans-skala design. ACS Nano
Halvledande nanomaterial med 3D-nätverksstrukturer har stora ytareor och många porer som gör dem utmärkta för applikationer som involverar adsorbering, separering och avkänning. Att samtidigt kontrollera de elektriska egenskaperna och skapa användbara strukturer i mikro- och makroskala, samtidigt som man uppnår utmärkt funktionalitet och mångsidighet i slutanvändningen, är fortfarande en utmaning. Nu har forskare från Osaka University, i samarbete med University of Tokyo, Kyushu University och Okayama University, utvecklat en nanocellulosapappershalvledare som ger både nano-mikro-makro trans-skala designbarhet av 3D-strukturerna och bred avstämning av de elektriska egenskaperna . Deras resultat publiceras i ACS Nano .
Cellulosa är ett naturligt och lättillgängligt material som härrör från trä. Cellulosa nanofibrer (nanocellulosa) kan göras till ark av flexibelt nanocellulosapapper (nanopapper) med dimensioner som standard A4. Nanopapper leder inte en elektrisk ström; emellertid kan uppvärmning införa ledande egenskaper. Tyvärr kan denna exponering för värme också störa nanostrukturen.
Forskarna har därför utarbetat en behandlingsprocess som gör att de kan värma nanopappret utan att skada papperets strukturer från nanoskalan upp till makroskalan.
"En viktig egenskap för nanopappershalvledaren är avstämbarhet eftersom detta gör att enheter kan designas för specifika tillämpningar", förklarar studieförfattaren Hirotaka Koga. "Vi tillämpade en jodbehandling som var mycket effektiv för att skydda nanopapprets nanostruktur. Kombinationen av detta med rumsligt kontrollerad torkning innebar att pyrolysbehandlingen inte väsentligt förändrade de designade strukturerna och den valda temperaturen kunde användas för att kontrollera de elektriska egenskaperna."
(a) Bred och systematisk avstämning av de elektriska egenskaperna och (b) nano-mikro-makro trans-skala designbarhet av 3D-strukturer av den färdigställda halvledaren (betecknad nanopappershalvledaren). Kredit:2022 Koga et al. Nanocellulosapappershalvledare med en 3D-nätverksstruktur och dess nano-mikro-makro trans-skala design. ACS Nano
Forskarna använde origami (pappersvikning) och kirigami (pappersklippning) tekniker för att ge lekfulla exempel på nanopapprets flexibilitet på makronivå. En fågel och låda veks, former inklusive ett äpple och snöflinga stansades ut och mer intrikata strukturer producerades genom laserskärning. Detta visade den möjliga detaljnivån, såväl som bristen på skador orsakade av värmebehandlingen.
Exempel på framgångsrika applikationer visade nanopappershalvledarsensorer inbyggda i bärbara enheter för att upptäcka utandad fukt som bryter igenom ansiktsmasker och fukt på huden. Halvledaren av nanopapper användes också som en elektrod i en glukosbiobränslecell och energin som genererades tände en liten glödlampa.
Enhetsdemonstrationer med nanopappershalvledare. (a) Bärbar sensor för övervakning av mänsklig utandningshärledd vattenånga som läckt från ansiktsmasker. Tvättbar mask:Sensorsvarspulser motsvarande andning observerades, vilket indikerar ett vattenångaläckage från den tvättbara masken. Kirurgisk mask:Endast en gradvis minskning av sensorresistansen observerades, vilket indikerar den effektiva vattenångan av den kirurgiska masken. (b) Glukosbiobränslecell för energigenerering. Halvledaren av nanopapper visade en effekttäthet som var 14 gånger högre än den för ett kommersiellt grafitark och ledde till att en röd lysdiod tändes. Kredit:2022 Koga et al. Nanocellulosapappershalvledare med en 3D-nätverksstruktur och dess nano-mikro-makro trans-skala design. ACS Nano
"Det strukturunderhåll och anpassningsförmågan som vi har kunnat visa är mycket uppmuntrande för översättningen av nanomaterial till praktiska enheter", säger docent Koga. "Vi tror att vårt tillvägagångssätt kommer att underbygga nästa steg inom hållbar elektronik gjord helt av växtmaterial."
Artikeln "Nanocellulosa papper halvledare med en 3D-nätverksstruktur och dess nano-mikro-makro trans-scale design," publicerades i ACS Nano . + Utforska vidare
