Au niveau nano, des chercheurs de Stanford ont découvert une nouvelle façon de souder des mailles de fils minuscules. Leur travail pourrait conduire à de nouvelles applications électroniques et solaires passionnantes. Réussir, ils ont fait appel à la plasmonique.

Un domaine de recherche intensive à l'échelle nanométrique est la création de mailles électriquement conductrices faites de nanofils métalliques. Promettant un débit électrique exceptionnel, faible coût et traitement facile, les ingénieurs prévoient un jour où de tels maillages seront courants dans les nouvelles générations d'écrans tactiles, affichages vidéo, diodes électroluminescentes et cellules solaires à couche mince.

Debout sur le chemin, cependant, est un obstacle majeur à l'ingénierie :dans le traitement, ces mailles délicates doivent être chauffées ou pressées pour unir le motif croisé de nanofils qui forment la maille, les endommager dans le processus.

Dans un article qui vient de paraître dans la revue Matériaux naturels , une équipe d'ingénieurs de Stanford a démontré une nouvelle technique prometteuse de soudage par nanofils qui exploite la plasmonique pour fusionner les fils avec un simple jet de lumière.

Auto-limitation

Au cœur de la technique se trouve la physique de la plasmonique, l'interaction de la lumière et du métal dans laquelle la lumière traverse la surface du métal par vagues, comme l'eau sur la plage.

"Lorsque deux nanofils se croisent, on sait que la lumière va générer des ondes plasmon à l'endroit où les deux nanofils se rencontrent, créer un point chaud. La beauté est que les points chauds n'existent que lorsque les nanofils se touchent, pas après leur fusion. La soudure s'arrête d'elle-même. C'est auto-limitant, " a expliqué Mark Brongersma, professeur agrégé de génie des sciences des matériaux à Stanford et expert en plasmonique. Brongersma est l'un des auteurs principaux de l'étude.

"Le reste des fils et, tout aussi important, le matériau sous-jacent n'est pas affecté, " a noté Michael McGehee, un ingénieur des matériaux et auteur principal de l'article. « Cette capacité à chauffer avec précision augmente considérablement le contrôle, vitesse et efficacité énergétique du soudage à l'échelle nanométrique."

Dans les images au microscope électronique avant et après, les nanofils individuels sont visuellement distincts avant l'éclairage. Ils se superposent, comme deux arbres tombés dans la forêt. Lorsqu'il est allumé, le nanofil supérieur agit comme une sorte d'antenne, diriger les ondes plasmoniques de lumière dans le fil inférieur et créer de la chaleur qui soude les fils ensemble. Les images post-illumination montrent des nanofils de type X à plat contre le substrat avec des joints fusionnés.

Transparence

En plus de faciliter la production de maillages de nanofils plus solides et plus performants, les chercheurs disent que la nouvelle technique pourrait ouvrir la possibilité d'électrodes à mailles liées à des plastiques et polymères flexibles ou transparents.

Pour démontrer les possibilités, ils ont appliqué leur maille sur l'enveloppe Saran. Ils ont pulvérisé une solution contenant des nanofils d'argent en suspension sur le plastique et l'ont séché. Après l'éclairage, ce qui restait était une couche ultrafine de nanofils soudés.

"Ensuite, nous l'avons enroulé comme un morceau de papier. Lorsque nous avons déroulé l'enveloppe, il a conservé ses propriétés électriques, " a déclaré le co-auteur Yi Cui, professeur agrégé en science et génie des matériaux. "Et quand tu le tiens, c'est pratiquement transparent."

Cela pourrait conduire à des revêtements de fenêtre peu coûteux qui génèrent de l'énergie solaire tout en réduisant l'éblouissement pour ceux à l'intérieur, les chercheurs ont dit.

"Dans les techniques de soudage précédentes qui utilisaient une plaque chauffante, cela n'aurait jamais été possible, " a déclaré l'auteur principal, Erik C. Garnett, Doctorat, un post-doctorant en science des matériaux qui travaille avec Brongersma, McGehee et Cui. "L'enveloppe Saran aurait fondu bien plus tôt que l'argent, détruisant l'appareil instantanément."

« Il existe de nombreuses applications possibles qui ne seraient même pas possibles avec les anciennes techniques de recuit, " a déclaré Brongersma. "Cela ouvre quelque chose d'intéressant, schémas de traitement simples et à grande surface pour les appareils électroniques - solaire, LED et écrans tactiles, surtout."