科学家为柔性透明电子产品喷绘碳纳米管组件

来自 Skoltech、MIPT 和其他地方的研究人员找到了一种快速且廉价的方法来在碳纳米管薄膜中创建几何图案。由此产生的薄膜具有卓越的性能，可用于制造 6G 通信设备和柔性透明电子产品(例如可穿戴健康追踪器)的组件。《化学工程杂志》上的一篇论文详细介绍了图案化方法。

与其他材料一样，碳纳米管具有多层次的组织。在原子水平上，单壁纳米管可以被视为卷成圆柱体的二维碳原子片(石墨烯)。这种圆柱体可以粘在一起，形成更粗的纤维。

这些纤维可以互连成一个巨大的多孔 3D 网络，可能在某些表面上覆盖一层薄层——碳纳米管薄膜。您可以更进一步，修改胶片本身，例如去除其一些材料，从而在其上施加几何图案。

“我们的团队想出了一种非常有效的方法来做到这一点，并用它来制造网状碳纳米管薄膜。这过去是通过在薄膜上烧很多孔来实现的。我们的想法是使薄膜在一些导电性的成本。

“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光学电极的定义，例如监测佩戴者心率、呼吸和血氧的生物传感器，”研究合著者助理Skoltech Photonics 教授德米特里·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，这是一种在 6G 信号接收中可能有用的组件。

目前，图案化碳纳米管薄膜的制备方法主要有两种。你要么制作连续的薄膜，然后在上面烧孔，这样就牺牲了 90% 的材料，这显然不是很经济。否则，必须使用非常精细的光刻来从头开始制造图案薄膜。

但该过程也相当昂贵且复杂，涉及多个步骤和液体溶液的使用，这往往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、Skoltech Photonics 的 Albert Nasibulin 教授解释道。 “它具有可重复性、速度相当快、价格低廉且用途广泛。不使用任何液体溶液，这使得该方法更清洁并确保高质量。事实上，网格的透明度-电导率比是迄今为止其主要的品质因数作为光学电极，其性能比连续薄膜好 12 倍。

“因此，新技术的性能优于精细光刻，并且与相对浪费的方法相当，在这种方法中，你会烧掉并丢失!额外的材料。此外，我们也可以创建网格以外的图案。”

那么它是怎样工作的?首先，研究人员用激光从铜箔上切割下来，制作了图案的铜模板(在本例中是方形网格)。然后，他们采用硝酸纤维素膜过滤器，用模板覆盖它，并在其上溅射铜颗粒，有效地创建互补图案。

如果您随后将碳纳米管沉积在过滤器上，它们将呈现预期的网格图案，因为溅射的铜会排斥它们。由于所得的图案薄膜既不粘在铜上，也不粘在硝化纤维上，因此只需将一块橡胶、玻璃或其他材料压到过滤器上即可轻松转移到另一个基材上。

科学家们测试了光栅的衍射特性，这些光栅在弹性材料(弹性体)薄层上制备成二维网格。太赫兹光谱仪清楚地记录了任何普通物理课程的光学部分所熟悉的衍射峰，只是这些峰不是在可见光中观察到的，而是在太赫兹频段中观察到的，太赫兹频段对应于大约 1 毫米的波长，介于红外光之间和微波炉。

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

“基于纳米管薄膜的制造结构的简便性、简单性和相对较低的成本，与高效的准光学太赫兹光谱方法(在开放空间中使用入射太赫兹辐射束)相结合，为制造和测试各种性能提供了巨大的机会该研究的共同作者、MIPT 太赫兹光谱实验室负责人鲍里斯·戈尔舒诺夫 (Boris Gorshunov) 评论道：

该团队很快将报告针对先进太赫兹成像的除网格之外的几何图案(同心圆和螺旋)的类似实验。这是指依靠微波和红外光之间波段的辐射进行安全检查和医疗检查的安全、非侵入性技术。