Прорыв в области нанотехнологий может способствовать разработке новых беспроводных, гибких, высокопроизводительных прозрачных электронных устройств.

Исследователи из Инженерной школы имени Джеймса Уатта при Университете Глазго разработали новый метод нанесения ультратонких нанопроводов методом межфазного импринтинга на гибкие, прозрачные полимерные подложки.

Статья исследовательской группы под названием «Сети нанопроводов, выровненные методом лазерной диэлектрофореза на границе раздела фаз, для создания прозрачных пленок, экранирующих электромагнитные помехи» опубликована в журнале ACS Nano.

Как работает новая технология нанопроводов

Разработанная в университетской лаборатории meLAB и возглавляемая исследователем Цзюньганом Чжаном, эта технология сочетает лазерную инженерию с методом, использующим электрические поля для точного позиционирования наноматериалов, и может быть легко масштабирована для производства без необходимости использования чистых помещений.

Гибкие материалы, созданные в результате этого процесса, обладают замечательной устойчивостью к электромагнитным помехам, вызванным все более повсеместным распространением беспроводных сигналов в повседневной жизни. Хотя современные технологии основаны на сигналах 5G и Wi-Fi, они могут вызывать проблемы с чувствительной электроникой в ​​жизненно важном оборудовании, таком как медицинские приборы.

В будущем разработки команды могут проложить путь к созданию устройств следующего поколения для использования в носимых или имплантируемых устройствах мониторинга состояния здоровья, которые сочетают в себе выдающуюся производительность с полной защитой от нежелательных сигналов.

Подробности процесса изготовления

Во-первых, они используют неоднородное электрическое поле для выравнивания серебряных нанопроводов, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, непосредственно на тонкой, гибкой, прозрачной полиимидной пленке.

Этот процесс, называемый межфазным диэлектрофорезом, или i-DEP, позволяет им создавать очень точные узоры, включая изгибы и повороты в любом направлении. На рисунках, включенных в статью, показано, как команде удалось точно сформировать буквы «NANO» и «UOG» на полимерной подложке с помощью метода i-DEP.

Выровненные с помощью i-DEP сети нанопроводов со структурными нанозазорами являются ключевым фактором устойчивости материала к помехам. Зазоры действуют как конденсаторы, уменьшая способность внешних сигналов влиять на внутреннюю электронику и создавая то, что команда называет «емкостно-связанной сетью межпроводников».

На втором этапе производственного процесса команда подвергает нанопроволоки воздействию сверхбыстрых импульсов пикосекундного лазерного излучения , которые соединяют нанопроволоки между собой, обеспечивая электрические соединения. Этот процесс также удаляет с нанопроволок изоляционный материал, увеличивая их оптическую прозрачность до 10% и снижая электрическое сопротивление в 46 раз.

Производительность и потенциальные области применения

Лабораторные испытания разработанного командой материала продемонстрировали как его замечательную способность экранировать помехи, так и сохранять прозрачность. Созданные командой прототипы пленок достигли эффективности экранирования более 35 децибел в диапазоне частот от 2,2 до 6 ГГц, что позволило блокировать более 99,97% падающего электромагнитного излучения. При этом они сохранили 83% оптической прозрачности.

Профессор Хади Хейдари возглавляет лабораторию микроэлектроники Университета Глазго (meLAB) и является автором-корреспондентом данной статьи. Он сказал: «Благодаря этому исследованию нам удалось открыть новый путь проектирования, который преодолевает давние проблемы в области нанотехнологий, используя опыт университета в области микроэлектроники и инженерии мягких материалов».

«Эффективность экранирования электромагнитных помех материалами, созданными нами с использованием этой технологии, впервые более чем в тысячу раз превосходит показатели невыровненных нанопроводов. Это улучшение может позволить создавать широкий спектр гибких и имплантируемых устройств в будущем».

Преимущества производства и направления будущих исследований

Разработанная командой технология также решает ключевые производственные проблемы. В отличие от традиционного производства в чистых помещениях, которое часто ограничено небольшими размерами пластин и требует дорогостоящих и трудоемких процессов, их относительно доступный подход позволяет производить материалы больших размеров. В статье исследователи демонстрируют устройства размером 40 на 80 сантиметров, которые, по их словам, могут быть легко масштабированы в будущих разработках.

Чжан Цзюньган, научный сотрудник Инженерной школы имени Джеймса Уатта, является ведущим автором статьи. Она сказала: «Это первый случай, когда удалось преодолеть давний компромисс между электропроводностью и оптической прозрачностью в сетях металлических нанопроводов. После нашей лазерной обработки проводимость и прозрачность улучшаются одновременно».

«Для гибких дисплеев, носимых устройств и имплантируемых медицинских технологий такая экранирующая способность в сочетании с высокой степенью прозрачности имеет решающее значение. Она обеспечивает передачу сигнала высокой чистоты для мониторинга состояния здоровья в режиме реального времени, блокируя при этом нежелательные электромагнитные помехи».

«Эти пленки, имеющие общую толщину всего 5,1 микрометра, невероятно тонкие, но при этом очень эффективные, и мы стремимся изучить и расширить их потенциал в будущих исследованиях».