Les appareils électroniques à écran tactile sont omniprésents, et une technologie clé les rend possibles :les conducteurs transparents. Cependant, le coût et les limitations physiques du matériau dans lequel ces conducteurs sont généralement constitués entravent les progrès vers des dispositifs à écran tactile flexibles.

Heureusement, une collaboration de recherche entre l'Université de Pennsylvanie et l'Université Duke a montré une nouvelle façon de concevoir des conducteurs transparents à l'aide de nanofils métalliques qui pourraient permettre des écrans tactiles moins coûteux et flexibles.

La recherche a été menée par l'étudiante diplômée Rose Mutiso, Michelle Sherrott et la professeure Karen Winey, tous du département de science et d'ingénierie des matériaux de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn. Ils ont collaboré avec l'étudiant diplômé Aaron Rathmell, et le professeur Benjamin Wiley du département de chimie de Duke.

Leur étude a été publiée dans la revue ACS Nano .

Le matériau standard actuel de l'industrie pour la fabrication de conducteurs transparents est l'oxyde d'indium et d'étain, ou ITO, qui est déposé en deux couches minces de part et d'autre d'un film séparateur. Contact, sous la forme d'un doigt ou d'un stylet, modifie suffisamment la résistance électrique entre les deux couches ITO pour que l'appareil puisse enregistrer l'endroit où l'utilisateur touche. Bien que ce matériau fonctionne bien, ses inconvénients ont conduit les chercheurs industriels et universitaires à rechercher des alternatives.

« Il y a deux problèmes avec l'ITO ; l'indium est relativement rare, donc son coût et sa disponibilité sont erratiques, et, plus important encore pour les appareils flexibles, c'est cassant, " Winey a déclaré. "Nous aimerions faire des écrans tactiles qui utilisent un réseau de minces, nanofils souples, mais prédire et optimiser les propriétés de ces réseaux nanométriques a été un défi."

Les nanofils métalliques sont de plus en plus peu coûteux à fabriquer et à déposer; ils sont en suspension dans un liquide et peuvent être facilement peints ou pulvérisés sur un support souple ou rigide, plutôt que cultivées sous vide comme c'est le cas pour l'ITO. Le défi vient du fait que ce processus forme un réseau aléatoire, plutôt qu'une couche uniforme comme ITO.

La qualité globale d'une feuille uniforme dans ce contexte ne dépend que de deux paramètres, les deux peuvent être déduits de manière fiable des propriétés du matériau en vrac :sa transparence, qui doit être élevé, et sa résistance électrique globale, qui doit être faible. Pour déterminer les propriétés électriques d'un réseau de nanofils, cependant, il faut connaître la longueur et le diamètre des nanofils, la zone qu'ils couvrent et une propriété appelée résistance de contact, qui est la quantité de résistance qui résulte des électrons voyageant d'un fil à un autre. Les détails de l'impact de ces quatre paramètres indépendants sur les propriétés électriques et optiques des réseaux de nanofils ne sont pas clairs.

"Ce que cela signifie, c'est que les gens vont synthétiser des nanofils, les déposer dans un réseau, mesurer la résistance électrique globale et les propriétés optiques du réseau, puis revendiquer la victoire lorsqu'elles en obtiennent une bonne, " Winey a dit. " Le problème est qu'ils ne savent pas pourquoi les bons sont bons, et, pire, ils ne savent pas nécessairement pourquoi les mauvais sont mauvais."

Par exemple, une faible résistance globale pourrait être le résultat d'une méthode de synthèse particulière qui a produit quelques nanofils étonnamment longs, ou une méthode de traitement qui a réduit la résistance de contact entre les nanofils. Sans moyen d'isoler ces facteurs, les chercheurs ne peuvent pas déterminer quelle combinaison de paramètres sera la plus efficace.

Le groupe de Winey a déjà travaillé sur la simulation de réseaux de nanofils dans des nanocomposites tridimensionnels, en particulier le nombre de nanofils nécessaires pour s'assurer qu'il existe un chemin connecté d'un bout à l'autre du système. Duke's Wiley a pris note de ce travail et a contacté Winey, lui demandant si elle serait intéressée à développer des simulations bidimensionnelles qui pourraient être appliquées aux données des réseaux de nanofils d'argent que son groupe avait fabriqués.

Avec le groupe de Wiley capable de fournir la longueur du nanofil, diamètre et fraction de surface de leurs réseaux, L'équipe de Winey a pu utiliser la simulation pour travailler en arrière à partir de la résistance électrique globale du réseau pour découvrir la résistance de contact insaisissable. Les méthodes alternatives pour trouver la résistance de contact sont laborieuses et incompatibles avec les méthodes de traitement de réseau typiques.

"Une fois que nous avons des résistances de contact fiables et pertinentes, nous pouvons commencer à nous demander comment améliorer la résistance globale de la feuille en modifiant les autres variables, " dit Mutiso. " En jouant avec cette simulation, nous pouvons voir à quel point nos réseaux s'améliorent lorsque nous augmentons la longueur des nanofils, par exemple."

La simulation de l'équipe Penn fournit des preuves supplémentaires du rôle de chaque variable dans la performance globale du réseau, aider les chercheurs à trouver le bon équilibre de traits pour des applications spécifiques. Augmenter la zone de couverture des nanofils, par exemple, diminue toujours la résistance électrique globale, mais cela diminue également la transparence optique; comme de plus en plus de nanofils s'empilent sur les réseaux apparaissent en gris, plutôt que transparent.

"Pour des applications spécifiques et différents types de nanofils, la fraction de surface optimale va être différente, " Winey a déclaré. "Cette simulation nous montre combien de nanofils nous devons appliquer pour atteindre la zone Goldilocks où vous obtenez le meilleur mélange de transparence et de résistance."

Les futures collaborations entre l'équipe de Winey à Penn et le groupe Wiley à Duke utiliseront cette simulation pour tester l'effet de différentes techniques de traitement sur les nanofils, déterminer l'effet de diverses méthodes de traitement post-dépôt sur la résistance de contact et finalement sur la résistance globale de la feuille.

« Nous pouvons maintenant faire des comparaisons rationnelles entre différents fils, ainsi que différentes méthodes de traitement pour différents fils, pour trouver la résistance de contact la plus faible indépendamment de la longueur du nanofil, diamètre et fraction de surface, " dit Winey. " Maintenant que nous savons où sont tous les leviers, nous pouvons commencer à les ajuster un par un."

Dans la prochaine génération d'études de modélisation, l'équipe Penn considérera plusieurs paramètres supplémentaires qui entrent en ligne de compte dans les performances des réseaux de nanofils pour conducteurs transparents, y compris l'orientation des nanofils, mimer des réseaux de nanofils produits par différentes méthodes de dépôt en continu, ainsi que le degré auquel les nanofils individuels varient en longueur ou en diamètre.