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科学家模板绘制对柔性透明电子产品的碳纳米管组件
发布时间:2024-05-27 10:02:43 阅读:88

来源:尼古拉•波松科(Nikolay Posunko),俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究所(Skolkovo Institute of Science and Technology);太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

基底上网状单壁碳纳米管膜(左)可用作柔性透明电子器件的光学电极(右上),也可用作6G通信的衍射光栅(右下)。
来源:改编自伊利亚•诺维科夫(Ilya Novikov)等人 《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal

    来自俄罗斯斯科尔科技(Skotech)、莫斯科物理技术学院(MIPT)以及其它机构的研究人员发现了一种能快速且经济实惠的可在碳纳米管膜中创建几何图案的方法。结果证明,所制备的薄膜具有优越的性能,可用于制造6G通信设备和柔性透明电子产品的组件——例如:可穿戴健康追踪器。新近出版的《化学工程杂志》上,一篇论文中就详细地介绍了这种创建图案的方法。

    与其他材料一样,碳纳米管具有多层次的组织结构。在原子水平上,单壁纳米管能被可视化为卷成圆柱体的碳原子(石墨烯)2D片。类似这样的多层圆柱体可以粘在一起,从而形成更厚的纤维。

    这些纤维可以相互连接,形成一个巨大、多孔的3D网络,它们还可以在一些表层上形成一层薄薄涂层——碳纳米管膜。你甚至还可以更进一步,修改膜本身,例如去除膜中的一些材料,从而在膜上创建几何图案。

    “我们的团队想出了一种非常有效的方法来做到这一点,并将其用于制作网状碳纳米管薄膜中。过去,我们是通过在薄膜上灼烧出许多孔洞来实现的。这个想法可以让薄膜做得更透明,当然其代价就是导电性。”

    “我们最终得到了一种可以弯曲的透明导体,这基本上就是柔性透明电子设备的光学电极定义,例如监测佩戴者心率、呼吸和血氧的生物传感器。”该研究的合著者、斯科尔科技光学研究(Skoltech Photonics)的助理教授德米瑞•克拉斯尼科夫(Dmitry Krasnikov)表示,并补充说,网状结构还可以用作衍射光栅,这是一种可能用于6G信号接收的组件。

    到目前为止,生产图案化碳纳米管膜的主要方法有两种。你要么制作一个连续的薄膜,然后在上面烧洞,这会浪费高达90%的材料,非常的不经济合算。要么你就必须使用非常精细的光刻技术,一切从零开始,开始制造图案化的薄膜。

    但这一过程也相当昂贵与复杂,涉及多个步骤和使用液体溶液,而且杂质往往还会污染薄膜并损害其性能。

    “我们的方法有很多优点,”该研究的首席研究员、斯科尔科技光学研究(Skoltech Photonics)的艾伯特•那思布林(Albert Nasibulin)教授解释到,“它可以复制可以重复使用,相当快速、经济实惠,而且用途广泛。因为不使用液体溶液,所以该方法更清洁,并确保高质量。事实上,网状物的透明导电率是连续膜的12倍,这是其光学电极的主要优点。”

    “因此,这项新技术的性优于精细光刻,而且与那种相对浪费的方法不相上下,因为那种方法——灼烧材料——失去材料——再来更多的材料。此外,我们还可以创建网格以外的图案。”

    那么它是如何工作的呢?首先,研究人员用激光从铜箔上切割出一个图案的铜模板,在这种情况下是一个方形网格。然后,他们取一个硝化纤维膜过滤器,用模板覆盖,并在其上溅射铜颗粒,有效地形成互补图案。

    如果你在过滤器上沉积碳纳米管,它们会呈现出预期的网状图案,因为溅射的铜会排斥它们。由于所得的图案化薄膜既不粘铜,也不粘硝化纤维素,因此只需将一块橡胶、玻璃或其他材料压到过滤器上,就很容易转移到另一个基材上。

    科学家们测试了光栅的衍射特性,光栅是在弹性材料(弹性体)薄层上制备的二维网格。太赫兹光谱仪清楚地记录了任何普通物理课程中光学部分所耳熟能详的衍射峰,只是这些峰不是在可见光中观察到的,而是在太赫兹频带中观察到,太赫兹频带对应于大约1毫米的波长,并且处于红外光和微波之间。

    研究人员拉伸了弹性基底,从而改变了光栅周期,并严格按照已知的光学定律记录了相关的衍射峰位移。

    MIPT太赫兹光谱实验室负责人、研究合著者鲍里斯•戈尔舒诺夫(Boris Gorshunov)评论到:“基于纳米管膜制造结构的简单性和相对较低的成本,再加上高效的准光学太赫兹光谱方法(在开放空间使用入射太赫兹辐射束),为制造和测试基于纳米管的各种二维结构的性能提供了巨大的机会,这些结构可以使用太赫兹辐射结合到各种设备和组件中。”

    该团队很快还将汇报利用网格以外的几何图案——同心圆和螺旋——进行高级太赫兹成像的类似实验。这意味着这种依赖于微波和红外光之间的安全、无创辐射技术,将会在安检筛查和医学检测领域大显身手。

 
 

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