Прямое формирование проводки из углеродных нанотрубок с контролируемым электрическим сопротивлением на пластиковых пленках.

Mar 24, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2254 (2023) Цитировать эту статью

2397 Доступов

1 Цитаты

77 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы разработали простой метод изготовления проводов из многостенных углеродных нанотрубок (MWNT) на пластиковой пленке при комнатной температуре и атмосферном давлении. Облучая лазером тонкую пленку МУНТ, нанесенную на полипропиленовую (ПП) пленку, можно непосредственно изготовить проводящую проводку из композита МУНТ и ПП непосредственно на полипропиленовой пленке. Сопротивление проводов из МСНТ, изготовленных этим методом, составляло от 0,789 до 114 кОм/см. Изменяя скорость сканирования лазера, мы могли создавать различные области с разными сопротивлениями на единицу длины даже в пределах одной проводки. Механизм формирования проводки МСНТ с перестраиваемым сопротивлением обсуждался как на основе экспериментальных результатов, таких как микроскопическое структурное наблюдение с использованием поперечной сканирующей электронной микроскопии и микроскопической рамановской визуализации, так и результатов моделирования, таких как теплопроводность в пленке при локальном лазерном нагреве. Результаты позволяют предположить, что проводка МСНТ образовалась в результате диффузии ПП в МСНТ при высокой температуре. Мы также продемонстрировали, что излишки МУНТ, которые не использовались для проводки, можно восстановить и использовать для изготовления новых проводок. Этот метод может быть использован для реализации полностью углеродных устройств, таких как легкие гибкие датчики, устройства преобразования энергии и устройства хранения энергии.

Гибкие полностью углеродные устройства привлекли внимание как пост-кремниевые устройства благодаря своей гибкости, легкому весу и превосходным физическим и химическим свойствам1,2,3. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из наиболее многообещающих строительных блоков для гибких полностью углеродных устройств благодаря своим интригующим физическим и химическим свойствам4. В последнее время, в дополнение к устройствам из УНТ на жестких подложках5,6, широко сообщалось об устройствах УНТ на гибких подложках, таких как пластиковые пленки7,8,9,10,11. Гибкие устройства на основе УНТ обычно изготавливаются с помощью следующих этапов, поскольку типичные гибкие подложки недоступны для процесса высокотемпературного выращивания12. Во-первых, УНТ выращиваются на жестких подложках методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Затем на УНТ наносят рисунок с помощью процессов литографии. Наконец, проводки УНТ переносятся на гибкую подложку13. У этого метода есть две проблемы: одна из них заключается в том, что необходимы последовательные процессы, включая высокотемпературный процесс и процесс в чистой комнате. Другой заключается в том, что, поскольку электрическое сопротивление перенесенной проводки УНТ определяется сопротивлением пленок УНТ до переноса, для создания проводки УНТ с различными значениями сопротивления требуются повторные процессы переноса. Поэтому необходимо разработать простой процесс, позволяющий формировать проводки из УНТ с контролируемым сопротивлением непосредственно на пластиковых подложках.

Сообщалось о двух основных методах изготовления проводов из УНТ непосредственно на пластиковых подложках, так называемом методе лазерно-индуцированного прямого переноса (LIFT)14 и методе термического синтеза (TF)15,16,17,18. Метод LIFT — это технология, в которой материал, облученный лазером, переносится на целевую подложку вблизи, тем самым обеспечивая прямую запись проводки УНТ независимо от материалов подложки19. Методы LIFT позволяют переносить УНТ на различные подложки, такие как алюминий, полиимид, стекло и кварц, путем лазерного облучения через узорчатые маски20,21,22. В методе LIFT контролировать сопротивление жгутов УНТ сложно, поскольку необходимо готовить донорский материал с различным сопротивлением. Кроме того, метод LIFT обычно требует дорогостоящих импульсных лазеров. В методах ТФ УНТ заранее смешивали с полимерами, включая полипропилен (ПП), поликарбонат (ПК) и эпоксидную смолу15,16,17,18. Затем композит был локально нагрет с помощью лазера для селективного испарения полимеров. В результате образовалась проводка УНТ. Метод TF позволяет контролировать сопротивление проводки УНТ на гибкой подложке путем изменения условий лазера. Например, сообщалось, что сопротивление проводки УНТ находится в диапазоне от 0,021 до 464 кОм/см при изменении условий лазера17. Однако метод ТФ проблематичен, поскольку УНТ необходимо заранее смешивать с полимером, а для этого требуется большое количество УНТ для изготовления проводов. Это означает, что большая часть УНТ в композите не используется. Метод ТФ требует использования мощного лазера для абляции полимера.