Vasest nanojuhtmete abil saab valmistada painduvaid ekraane ja päikeseelemente

Rühm Duke’i Ülikooli keemikuid täiustasid lihtsa meetodi pisikeste vasest nanojuhtmete valmistamiseks suures koguses. Odavad voolu juhtivad nanojuhtmed on piisavalt väikesed olemaks läbipaistvad, see aga teeb nad ideaalseks materjaliks õhukesetest kiledest päikeseelementide, lameekraan televiisorite ning arvutite ja painduvate displeide valmistamiseks.

,,Kujutage ette kasvõi kokkumurtavat iPad’i,” sõnas Benjamin Wiley, keemia abiprofessor Duke’is. Antud töörühma uurimus avaldati ajakirja Advanced Materials selle nädala online-väljaandes.

Vasest valmistatud nanojuhtmed funktsioneerivad paremini kui süsinik-nanotorud ning on hõbe-nanojuhtmetest palju odavamad, selgitas Wiley.

Moodsad lameekraan televiisorid ning arvutiekraanid tekitavad kujutise suurele elektrooniliste pikslite kogumile, mis on omavahel ühendatud läbipaistva ning voolu juhtiva indium-tinaoksiidist(ITO) kihiga. ITOt kasutatase ka läbipaistvate elektroodidena õhukestest kiledest päikeseelementides.

Ent indium-tinaoksiidil on ka omad puudused: see on habras ning seetõttu sobimatu painduvate ekraanide jaoks, selle tootmisprotsess on ebaefektiivne ning see muutub suureneva nõudluse tõttu üha kallimaks.

,,Kui me tahame jätkata nende üldlevinud elektroonikaseadmete ning päikeselementide tootmist, peame me kasutama materjale, mida leidub maakoores palju ning mille eraldamine ei nõua palju energiat.” Leidub väga vähe materjale, mis oleks korraga nii läbipaistvad kui ka juhtivad, mistõttu ITOt vaatamata tema puudustele siiani kasutatakse.

Wiley uus uurimus näitab aga et vaske, mida leidub pea tuhat korda enam kui indiumi, saab kasutada nanojuhtmetest kile valmistamiseks, mis on üheaegselt nii läbipaistev kui ka voolujuhtiv.

Läbipaistva juhtina töötavad hästi ka hõbedast nanojuhtmed, nende tootmise patenteerimisele aitas Wiley kaasa doktorandina. Ent hõbe, nagu ka indium, on haruldane ja kallis. Teised teadlased on üritanud tõsta süsinik-nanotorude efektiivsust läbipaistvate juhtidena, kuid vähese eduga.

,,Fakt, et vasest nanojuhtmed on odavamad ning töötavad paremini, teeb neist antud probleemi lahendamisel väga paljutõotava materjali,” sõnas Wiley.

Wiley koos oma tudengite Aaron Rathmelli ja Stephen Berginiga kasvatas vasest nanojuhtmed veepõhises lahuses.

 ,,Lisades lahusesse erinevaid kemikaale, on aatomite kogunemist erinevateks nanostruktuurideks võimalik kontrollida,” selgitas Wiley. Antud juhul moodustuvad vase kristalliseerumisel esmalt pisikesed ‘seemned,’ ning seejärel võrsuvad neist üksikud nanojuhtmete ‘idud.’ Sellist kristallide kasvatamise meetodit pole keegi varem kasutanud.

Et protsess on veepõhine ning et vasest nanojuhtmed on painduvad, saaks nanojuhtmeid Wiley arvates materjalile printida otse lahusest pealerullimise meetodil, sarnaselt ajalehtede printimisele, mis oleks palju efektiivsem kui ITO tootmisprotsess praegu.

Ka teised teadlased on vasest nanojuhtmeid valmistanud, ent palju väiksemas koguses.

Wiley uurimisgrupp on ka esimene, kus demonstreeriti nanojuhtmete head funktsioneerimist läbipaistva voolujuhina. Tema sõnul peab protsessi kommertsrakenduste jaoks kohandama ning on ka teisi muid lahendust ootavaid probleeme: kuidas hoida ära nanojuhtmete kobardumist, mis vähendab läbipaistvust, ning vaja on ära hoida ka vase oksüdeerumist, mis omakorda vähendab juhtivust. Kui kobardumise probleem on lahenduse leidnud, on Wiley arvates vasest nanojuhtmete juhtivus võrdsel tasemel hõbedast nanojuhtmete ning ITO-ga.

,,Meie arvates on sada korda odavama materjali kasutamine kõige atraktiivsem just riskikapitalistide, elektroonikafirmade ning päikeseelemente valmistavate tehaste jaoks, kes kõik neid läbipaistvaid elektroode vajavad,” lõpetas Wiley.

Allikas

Teadusartikkel “The Growth Mechanism of Copper Nanowires and Their Properties in Flexible, Transparent Conducting Films“