Forskare från Skoltech, MIPT och andra håll har hittat ett snabbt och billigt sätt att skapa geometriska mönster i nanorörsfilmer av kol. De resulterande filmerna visade sig ha överlägsna egenskaper för tillverkning av komponenter för 6G-kommunikationsenheter och flexibel och genomskinlig elektronik - som bärbara hälsospårare. Mönstermetoden beskrivs i en artikel i Chemical Engineering Journal .
Liksom andra material har kolnanorör flera organisationsnivåer. Nere på atomnivå kan ett enkelväggigt nanorör visualiseras som ett 2D-ark av kolatomer (grafen) rullat till en cylinder. Sådana cylindrar kan hålla ihop och bilda tjockare fibrer.
Fibrerna kan kopplas samman till ett stort, poröst 3D-nätverk och eventuellt belägga en yta som ett tunt lager - en film av nanorör av kol. Du kan gå ett steg längre och modifiera själva filmen, till exempel genom att ta bort en del av dess material och på så sätt anbringa ett geometriskt mönster på den.
"Vårt team kom på ett mycket effektivt sätt att göra detta och använde det för att skapa en nätformad kolnanorörsfilm. Detta brukade uppnås genom att bokstavligen bränna många hål i en film. Tanken är att göra filmen mer transparent kl. kostnaden för viss elektrisk ledningsförmåga.
"Vi slutar med en genomskinlig ledare som kan böjas, och det är i grunden definitionen av en optisk elektrod för flexibla transparenta elektroniska enheter, såsom biosensorer som övervakar bärarens hjärtfrekvens, andning och blodsyresättning," studiens medförfattare Assistant Assistant Professor Dmitry Krasnikov vid Skoltech Photonics sa och tillade att nätstrukturen också kan fungera som ett diffraktionsgitter – en komponent som potentiellt är användbar vid 6G-signalmottagning.
Från och med nu finns det två huvudmetoder för att producera mönstrade kolnanorörsfilmer. Du gör antingen en kontinuerlig film och bränner hål i den, vilket ger upp till 90 % av materialet, vilket uppenbarligen inte är särskilt ekonomiskt. Annars måste riktigt fin litografi användas för att tillverka den mönstrade filmen från grunden.
Men även den processen är ganska dyr och komplex, med flera steg och användning av flytande lösningar, som tenderar att kontaminera filmen med föroreningar och äventyra dess egenskaper.
"Vårt tillvägagångssätt har ett antal fördelar," förklarade studiens huvudforskare, professor Albert Nasibulin vid Skoltech Photonics. "Det är reproducerbart, ganska snabbt och billigt och mångsidigt. Inga flytande lösningar används, vilket gör metoden renare och säkerställer hög kvalitet. Faktum är att förhållandet mellan transparens och ledningsförmåga hos nätet - vilket är dess främsta merit så långt som optiska elektroder går — är 12 gånger bättre än för en kontinuerlig film.
"Därför överträffar den nya tekniken fin litografi och är i paritet med det jämförelsevis slösaktiga tillvägagångssättet där du bränner bort - och förlorar! - det extra materialet. Vi kan också skapa andra mönster än maskor."
Så hur fungerar det? Först gör forskarna en kopparmall av mönstret – i det här fallet ett kvadratiskt nät – genom att skära det från kopparfolie med en laser. De tar sedan ett nitrocellulosamembranfilter, täcker det med mallen och förstoftar kopparpartiklar på det, vilket effektivt skapar ett komplementärt mönster.
Om du sedan avsätter kolnanorör på filtret kommer de att anta det avsedda nätmönstret, eftersom den sputtrade kopparn stöter bort dem. Och eftersom den resulterande mönstrade filmen varken fastnar på koppar eller nitrocellulosa, är det lätt att överföra till ett annat substrat helt enkelt genom att trycka en bit gummi, glas eller annat material mot filtret.
Forskarna testade diffraktionsegenskaperna hos gittren, framställda som 2D-maskor på ett tunt lager av elastiskt material (elastomer). En terahertz-spektrometer registrerade tydligt diffraktionstopparna som är bekanta från den optiska delen av alla allmänna fysikkurser, bara att dessa toppar observerades inte i synligt ljus utan i THz-frekvensbandet, vilket motsvarar våglängder på cirka 1 millimeter och är mellanliggande mellan infrarött ljus och mikrovågor.
Forskarna sträckte det elastiska substratet och varierade därigenom gitterperioden och registrerade de associerade diffraktionstopparna i strikt överensstämmelse med de kända optiska lagarna.
"Lättheten, enkelheten och relativt låga kostnaden för att tillverka strukturer baserade på nanorörsfilmer, kombinerat med den effektiva kvasi-optiska THz-spektroskopimetoden (med infallande THz-strålningsstråle i öppet utrymme) möjliggör stora möjligheter för tillverkning och testning av prestanda av alla slag av tvådimensionell struktur baserad på nanorör, som skulle kunna införlivas i olika enheter och komponenter med THz-strålning", kommenterade studiens medförfattare Boris Gorshunov, som leder Terahertz Spectroscopy Lab vid MIPT.
Teamet kommer snart att rapportera liknande experiment med andra geometriska mönster än maskor – koncentriska cirklar och spiraler – för avancerad THz-avbildning. Detta syftar på en säker och icke-invasiv teknik för säkerhetskontroll och medicinska undersökningar som är beroende av strålning i bandet mellan mikrovågor och infrarött ljus.
Mer information: Ilya V. Novikov et al, Snabb vätskefri mönstring av SWCNT-filmer för elektroniska och optiska tillämpningar, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733
Journalinformation: Chemical Engineering Journal
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
