Исследователи из МФТИ, Сколтеха и других научных центров нашли быстрый и недорогой способ изготовления узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Такие плёнки по ряду свойств лучше, чем сплошные, подходят для производства деталей для устройств связи шестого поколения и гибкой и прозрачной электроники, например нательных фитнес-трекеров. Как получить узорчатые плёнки — учёные описали в статье в журнале Chemical Engineering Journal.
У углеродных нанотрубок, как и у других материалов, есть несколько уровней организации. На атомном уровне одностенную нанотрубку можно представить как свёрнутый в цилиндр лист графена (слой углерода толщиной один атом). Такие цилиндры слипаются в нити, которые, в свою очередь, образуют структуру третьего уровня — пористую трёхмерную сеть. Она может тонким слоем покрывать некоторую поверхность, и это и есть плёнка из углеродных нанотрубок. Следующий уровень — модифицировать саму плёнку. Например, можно удалить часть материала таким образом, чтобы в результате остался правильный геометрический рисунок.
«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», — рассказал один из авторов исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Красников. По словам учёного, такая сетчатая структура также может служить дифракционной решёткой — этот элемент пригодится в устройствах связи 6G.
Существует два основных подхода к изготовлению узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Можно сделать сплошную плёнку и выжечь в ней отверстия, потеряв при этом до 90% материала, что не вполне экономично. Или можно сразу изготовить плёнку с необходимым узором при помощи высокоточной литографии, но это, опять же, дорого, потому что сам метод сложный, тонкий, включает несколько шагов и, к тому же, требует работы с растворами, а жидкости загрязняют плёнку примесями, ухудшая её 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 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».
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. Источник: Chemical Engineering Journal
Итак, как работает метод? Исследователи вырезают лазером из медной фольги шаблон необходимого рисунка, в данном случае — квадратной сетки. Затем шаблоном перекрывают обычный мембранный фильтр из нитроцеллюлозы и напыляют на него мелкие частицы меди, которые формируют обратный рисунок. Если шаблон убрать и на обработанный таким образом фильтр нанести углеродные нанотрубки, они повторят геометрию шаблона, поскольку частицы меди препятствуют осаждению нанотрубок. Полученную сетчатую структуру можно без труда снять с фильтра: поскольку она не пристаёт ни к нитроцеллюлозе, ни к меди, достаточно прислонить к ней кусок стекла, резины или другого материала.
Авторами также были протестированы дифракционные свойства структур, приготовленных в виде двумерных решёток на тонком эластичном слое (эластомере). На терагерцовом спектрометре отчётливо регистрировались известные из оптического курса общей физики дифракционные пики, только не в области видимого света, а в терагерцовом диапазоне (длина волны около 1 миллиметра, 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.
«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», — отмечает один из авторов исследования, Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Коллектив вскоре планирует обнародовать результаты аналогичных экспериментов с другими геометрическими рисунками — спиралями и концентрическими окружностями. Такие структуры будут полезны для терагерцовой визуализации — перспективной технологии досмотра пассажиров и багажа, контроля качества продукции и медицинской диагностики при помощи безвредного излучения в ТГц-диапазоне.
Исследование поддержано грантами № 22-13-00436 и № 21-72-20050 Российского научного фонда.
2
