Ученые «нарисовали» узорчатые пленки из нанотрубок для гибкой электроники

Быстрый и экономичный способ изготовления из углеродных нанотрубок узорчатых пленок, которые лучше подходят для устройств гибкой и прозрачной электроники, а также деталей приборов связи 6G, чем сплошные пленки, разработала команда исследователей из МФТИ, Сколтеха и ряда других научных центров, 23 апреля пишет журнал МФТИ «За науку».

Метод изготовления таких узорчатых пленок ученые представили в статье «Быстрое безжидкостное формирование рисунка на пленках SWCNT для электронных и оптических приложений», опубликованной в Chemical Engineering Journal.

Один из авторов исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Красников рассказал, зачем нужно было создавать сетчатые пленки из углеродных нанотрубок:

«Наш коллектив предложил весьма эффективный способ изготовления сетчатых пленок из углеродных нанотрубок. Прежде их получали буквально выжигая дырки в сплошной пленке. Идея в том, что пленка при этом становится прозрачнее ценой не слишком сильного падения электропроводности. В итоге мы имеем прозрачный проводник, к тому же гибкий, — всё, что нужно для оптического электрода, который можно использовать в гибкой прозрачной электронике, например носимых биосенсорах для мониторинга пульса, дыхания и насыщения крови кислородом».

Другим применением такой сетчатой структуры, рассказал ученый, может быть использование такой пленки в качестве дифракционной решетки в устройствах связи шестого поколения.

Такую сетчатую пленку можно изготовить несколькими способами. Так, существует метод выжигания в сплошной пленке отверстий, но при этом теряется до 90% материала, что не экономично.

Можно изготовить пленку с заданным узором при помощи высокоточной литографии, но это сложный, тонкий и дорогой метод. Он включает в себя несколько операций, связанных в том числе с работой с растворами, которые в итоге загрязняют пленку примесями, ухудшая ее свойства.

«У нашего подхода есть ряд преимуществ: воспроизводимость, сравнительная быстрота и дешевизна изготовления, а также гибкость, — пояснил научный руководитель исследования, профессор Альберт Насибулин из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — И мы не используем жидких растворов, что делает метод чище и обеспечивает высокое качество продукта. Если говорить о соотношении прозрачности и проводимости, а это — основной показатель для оптических электродов, то у нашей узорчатой пленки он в 12 раз лучше, чем у сплошной. С этой точки зрения наш метод опережает высокоточную литографию и обеспечивает качество наравне с неэкономным подходом, в котором лишний материал выжигают из пленки. Кроме того, мы можем делать не только сетчатые, но и иные узоры».

Для этого исследователи вырезают лазером из медной фольги шаблон необходимого рисунка. Затем шаблон накладывают на обычный мембранный фильтр из нитроцеллюлозы и напыляют на него мелкие частицы меди, формируя из них обратный рисунок.

Далее шаблон убирается, а на обработанный фильтр наносятся углеродные нанотрубки. Но так как частицы меди препятствуют осаждению нанотрубок, то там, где их нет, формируется рисунок, повторяющий геометрию шаблона.

Полученная структура легко снимается с фильтра (для чего можно прислонить к ней кусок стекла, резины или другого материала), так как образующие ее нанотрубки не пристают ни к нитроцеллюлозе, ни к меди.

Поскольку в эксперименте использовался шаблон решетки, то исследователи протестировали дифракционные свойства полученной структуры, в которой в качестве подложки использовался тонкий эластомер.

Они обнаружили с помощью терагерцового спектрометра дифракционные пики в терагерцовом диапазоне. Растягивая эластичную подложку, экспериментаторы продемонстрировали сдвиги дифракционных пиков, вызванные увеличением и уменьшением периода решетки, которые соответствовали известными оптическим формулам.

«Простота, легкость и относительная дешевизна изготовления структур на основе пленок из нанотрубок в сочетании с эффективным методом квазиоптической (пучок ТГц-излучения падает на решетку в открытом пространстве) ТГц-спектроскопии открывают широкие возможности изготовления и оперативной аттестации самых разных двумерных структур на основе нанотрубок, которые могут сослужить службу при разработке элементов и устройств, использующих ТГц-излучение», — указал один из авторов исследования, завлабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Борис Горшунов.

В дальнейшем коллектив исследователей намерен представить результаты аналогичных экспериментов с другими геометрическими рисунками, такими как спирали и концентрические окружности. Их можно использовать для терагерцовой визуализации — перспективной технологии досмотра пассажиров и багажа, контроля качества продукции и медицинской диагностики при помощи безвредного, по сравнению с рентгеновским, ТГц-излучения.