Группа учёных из «Сколтеха», МФТИ и других научных центров заявила, что нашла быстрый и недорогой способ изготовления узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Эти плёнки по ряду свойств лучше, чем сплошные. Они подходят для производства деталей для устройств связи шестого поколения, гибкой и прозрачной электроники, например, нательных фитнес‑трекеров. Как получить узорчатые плёнки, учёные описали в статье в журнале Chemical Engineering Journal.
Сетчатая плёнка из углеродных нанотрубок на подложке (слева) может использоваться как оптический электрод (справа сверху) в гибкой и прозрачной электронике, а также как дифракционная решётка (справа внизу) в устройствах связи 6G
У углеродных нанотрубок есть несколько уровней организации. На атомном уровне одностенную нанотрубку можно представить как свёрнутый в цилиндр лист графена (слой углерода толщиной один атом). Эти цилиндры слипаются в нити, образующие структуру третьего уровня (пористую трёхмерную сеть). Структура может тонким слоем покрывать некоторую поверхность. Так получается плёнка из углеродных нанотрубок. Далее можно модифицировать уже саму плёнку. Например, удалить часть материала, чтобы в результате остался правильный геометрический рисунок. По словам один из авторов исследования, старшего преподавателя Центра фотоники и фотонных технологий «Сколтеха» Дмитрия Красникова, такая сетчатая структура может служить дифракционной решёткой, а этот элемент пригодится в устройствах связи 6G.
Дмитрий Красников
один из авторов исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий «Сколтеха»
«Наш коллектив предложил весьма эффективный способ изготовления сетчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Прежде их получали буквально выжигая дырки в сплошной плёнке. Идея в том, что плёнка 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».
Существует два основных подхода к изготовлению узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Создаётся сплошная плёнка и выжигаются в ней отверстия, потеряв при этом до 90% материала. Такой способ не вполне экономичен.
Второй способ — изготовление плёнки с необходимым узором при помощи высокоточной литографии. Этот способ тоже затратный, потому что сам метод сложный, тонкий, включает несколько шагов и требует работы с растворами, а жидкости загрязняют плёнку примесями, ухудшая её свойства.
Альберт Насибулин
научный руководитель исследования, профессор Центра фотоники и фотонных технологий «Сколтеха»
«У нашего подхода есть ряд преимуществ: воспроизводимость, сравнительная быстрота и дешевизна изготовления, а также гибкость.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 плёнки 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 плёнки. Кроме того, мы можем делать не только сетчатые, но и иные узоры».
Новый метод заключается в том, что исследователи вырезают лазером из медной фольги шаблон необходимого рисунка (например, квадратной сетки). Далее шаблоном перекрывают обычный мембранный фильтр из нитроцеллюлозы и напыляют на него мелкие частицы меди, формирующие обратный рисунок. Если шаблон убрать и на обработанный фильтр нанести углеродные нанотрубки, они повторят геометрию шаблона, поскольку частицы меди препятствуют осаждению нанотрубок. Полученную сетчатую структуру можно снять с фильтра, прислонив к сетке кусок стекла, резины или другого материала.
Авторами протестировали дифракционные свойства структур, приготовленных в виде двумерных решёток на тонком эластичном слое (эластомере). На терагерцовом спектрометре были зарегистрированы дифракционные пики, только не в области видимого света, а в терагерцовом диапазоне (длина волны около 1 мм, на шкале электромагнитных волн находится между инфракрасным светом и микроволнами). Растягивая эластичную подложку, авторы продемонстрировали сдвиги дифракционных пиков, вызванные увеличением и уменьшением периода решётки — в точном соответствии с известными оптическими формулами.
Борис Горшунов
один из авторов исследования, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ
«Простота, лёгкость и относительная дешевизна изготовления структур на основе плёнок из нанотрубок в сочетании с эффективным методом квазиоптической (пучок ТГц‑излучения падает на решётку 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».
У исследователей в планах обнародовать результаты аналогичных экспериментов с другими геометрическими рисунками (спиралями и концентрическими окружностями). Такие структуры будут полезны для терагерцовой визуализации, представляющей собой технологию досмотра пассажиров и багажа, контроля качества продукции и медицинской диагностики при помощи безвредного излучения в ТГц‑диапазоне.
Источник: habr.com
