Formazione diretta di cablaggi di nanotubi di carbonio con resistenza elettrica controllata su film plastici

Mar 24, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2254 (2023) Citare questo articolo

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Abbiamo sviluppato un metodo semplice per fabbricare cablaggi in nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT) su una pellicola di plastica a temperatura ambiente sotto pressione atmosferica. Irradiando con un laser una pellicola sottile MWNT rivestita su una pellicola di polipropilene (PP), è possibile fabbricare direttamente sulla pellicola PP un cablaggio conduttivo costituito da un composito di MWNT e PP. La resistenza del cablaggio MWNT fabbricato utilizzando questo metodo variava da 0,789 a 114 kΩ/cm. Modificando la velocità di scansione del laser, potremmo fabbricare varie regioni con resistenze diverse per unità di lunghezza anche all'interno di un singolo cablaggio. Il meccanismo di formazione del cablaggio MWNT con resistenza sintonizzabile è stato discusso sia dai risultati sperimentali, come l'osservazione strutturale microscopica mediante microscopia elettronica a scansione in sezione trasversale e imaging Raman microscopico, sia dai risultati della simulazione, come la conduzione del calore nella pellicola durante il riscaldamento laser locale. I risultati suggeriscono che il cablaggio del MWNT è stato formato dalla diffusione del PP nel MWNT ad alta temperatura. Abbiamo anche dimostrato che i MWNT in eccesso non utilizzati per il cablaggio potrebbero essere recuperati e utilizzati per fabbricare nuovi cablaggi. Questo metodo potrebbe essere utilizzato per realizzare dispositivi interamente in carbonio come sensori flessibili leggeri, dispositivi di conversione dell'energia e dispositivi di stoccaggio dell'energia.

I dispositivi flessibili interamente in carbonio hanno attirato l'attenzione come dispositivi post-silicio grazie alla loro flessibilità, leggerezza ed eccellenti proprietà fisiche e chimiche1,2,3. I nanotubi di carbonio (CNT) sono uno degli elementi costitutivi più promettenti per dispositivi flessibili interamente in carbonio grazie alle sue interessanti proprietà fisiche e chimiche4. Recentemente, oltre ai dispositivi CNT su substrati rigidi5,6, sono stati ampiamente segnalati dispositivi CNT su substrati flessibili come film plastici7,8,9,10,11. I dispositivi flessibili basati su CNT vengono generalmente fabbricati mediante le seguenti fasi poiché i tipici substrati flessibili non sono disponibili per il processo di crescita ad alta temperatura12. Innanzitutto, i CNT vengono coltivati ​​su substrati rigidi mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD). Quindi, i CNT vengono modellati mediante processi litografici. Infine, i cablaggi CNT vengono trasferiti su un substrato flessibile13. Questo metodo presenta due problemi: uno di questi è che sono necessari processi sequenziali, compreso il processo ad alta temperatura e il processo in camera bianca. L'altro è che poiché la resistenza elettrica del cablaggio di CNT trasferito è determinata dalla resistenza delle pellicole di CNT prima del trasferimento, per produrre cablaggi di CNT con vari valori di resistenza sono necessari processi di trasferimento ripetuti. Pertanto, è necessario sviluppare un processo semplice in grado di formare cablaggi CNT con resistenza controllata direttamente su substrati plastici.

Sono stati segnalati due metodi principali per fabbricare cablaggi CNT direttamente su substrati di plastica, il cosiddetto metodo LIFT (trasferimento in avanti indotto dal laser)14 e il metodo di fusione termica (TF)15,16,17,18. Il metodo LIFT è una tecnologia in cui un materiale irradiato da un laser viene trasferito su un substrato target in prossimità, ottenendo così la scrittura diretta del cablaggio CNT indipendentemente dai materiali del substrato19. I metodi LIFT possono trasferire i CNT su vari substrati come alluminio, poliimmide, vetro e quarzo mediante irradiazione laser attraverso maschere modellate20,21,22. Nel metodo LIFT, il controllo della resistenza dei cablaggi CNT è difficile perché è necessario preparare materiale donatore con resistenza diversa. Inoltre, il metodo LIFT richiede solitamente costosi laser pulsati. Nei metodi TF, i CNT sono stati miscelati preventivamente con polimeri tra cui polipropilene (PP), policarbonato (PC) ed epossidici15,16,17,18. Il composito è stato quindi riscaldato localmente utilizzando un laser per vaporizzare selettivamente i polimeri. Di conseguenza, è stato formato il cablaggio CNT. Il metodo TF può controllare la resistenza del cablaggio CNT su un substrato flessibile modificando le condizioni del laser. Ad esempio, è stato riportato che la resistenza del cablaggio del CNT varia da 0,021 a 464 kΩ/cm al variare delle condizioni del laser17. Tuttavia, il metodo TF è problematico perché i CNT devono essere miscelati in anticipo con il polimero e, per questo, è necessaria una grande quantità di CNT per fabbricare i cablaggi. Ciò implica che la maggior parte dei CNT nel composito non vengono utilizzati. Il metodo TF richiede un laser ad alta potenza per l'ablazione del polimero.