Exemples de réseaux de nanofils d'Ag pour un domaine de 140 μm × 140 μm avec (a) une concentration juste au-dessus de la concentration critique de percolation (C ~ Cp), et (b) concentration bien supérieure à la concentration critique de percolation (C»Cp). La tension est appliquée dans le sens horizontal sur toute la longueur du domaine. Crédit :Tansu, Université Lehigh
Des chercheurs de l'Université Lehigh ont identifié pour la première fois qu'un gain de performance dans la conductivité électrique des réseaux de nanofils métalliques aléatoires peut être obtenu en restreignant légèrement l'orientation des nanofils. Le résultat le plus surprenant de l'étude est que les configurations fortement ordonnées ne surpassent pas les configurations avec un certain degré d'aléatoire; l'aléatoire dans le cas des orientations des nanofils métalliques agit pour augmenter la conductivité.
L'étude, Conductivité des réseaux de nanofils sous des configurations d'orientation aléatoire et ordonnée, est publié dans le numéro actuel de La nature le journal de Rapports scientifiques . La recherche a été menée par Nelson Tansu, Daniel E. '39 et Patricia M. Smith Professeur titulaire de la chaire Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics et Department of Electrical and Computer Engineering, et auteur principal Milind Jagota, un lycéen de la région de Bethléem.
Les conducteurs transparents sont largement nécessaires pour les écrans plats, écrans tactiles, cellules solaires, et diodes électroluminescentes, parmi de nombreuses autres technologies. Actuellement, L'oxyde d'étain d'indium (ITO) est le matériau le plus largement utilisé pour les conducteurs transparents en raison de sa conductivité élevée et de sa transparence élevée. Cependant, La technologie basée sur l'ITO présente plusieurs problèmes. Le matériel est rare, cher à fabriquer et cassant, une caractéristique particulièrement indésirable pour tout ce qui est utilisé dans cette ère moderne de l'électronique flexible.
Les chercheurs à la recherche d'un substitut à l'ITO utilisent de plus en plus des réseaux aléatoires de nanofils métalliques pour correspondre à l'ITO en termes de transparence et de conductivité. Les technologies à base de nanofils métalliques présentent une meilleure flexibilité et sont plus compatibles avec les processus de fabrication que les films ITO. La technologie, cependant, est encore dans une phase initiale de développement et les performances doivent être améliorées. Les recherches actuelles se concentrent sur l'effet de l'orientation des tiges sur la conductivité des réseaux pour améliorer les performances.
Carte couleur 2D montrant la tension à différents nœuds dans le domaine de calcul pour les matrices de réseau avec une concentration beaucoup plus élevée que la concentration de percolation (C ~ 5 Cp). Les points représentent les tensions à chaque nœud. La tension de la bordure gauche est de 10 V, la tension de bordure droite est de 0 V. Crédit :Tansu, Université Lehigh
Dans ce travail, Les chercheurs de Lehigh ont développé un modèle informatique pour la simulation de réseaux de nanofils métalliques, ce qui devrait accélérer le processus vers l'idéalisation de la configuration des nanofils. Le modèle prédit les résultats expérimentaux existants et les résultats informatiques publiés précédemment.
Les chercheurs ont ensuite utilisé ce modèle pour extraire des résultats pour la première fois sur la façon dont la conductivité des réseaux de nanofils métalliques aléatoires est affectée par différentes restrictions d'orientation de caractère aléatoire variable. Deux configurations d'orientation différentes sont signalées.
En premier, une répartition uniforme des orientations sur la plage (-θ, θ) par rapport à une ligne horizontale est utilisé. Dans la seconde, on utilise une distribution d'orientations sur la plage [-θ] ∪ [θ], également par rapport à une ligne horizontale. Dans chaque cas, est progressivement diminué de 90° à 0°. La conductivité est mesurée à la fois dans les directions parallèles et perpendiculaires à l'alignement.
Les chercheurs ont découvert qu'une amélioration significative de la conductivité parallèlement à la direction de l'alignement peut être obtenue en restreignant légèrement l'orientation de la distribution uniforme. Cette amélioration, cependant, se fait au détriment d'une baisse plus importante de la conductivité perpendiculaire. La forme générale de ces résultats correspond à celle démontrée par des chercheurs expérimentant des films de nanotubes de carbone. Étonnamment, il a été constaté que le second cas hautement ordonné est incapable de surpasser les réseaux isotropes pour n'importe quelle valeur de ; démontrant ainsi que les configurations d'orientation continue avec un certain degré d'aléatoire sont préférables aux configurations hautement ordonnées.
Des recherches antérieures dans ce domaine ont étudié les effets de l'orientation sur la conductivité des composites de nanotubes de carbone 3D, constatant qu'un léger degré d'alignement améliore la conductivité. Des modèles informatiques ont été utilisés pour étudier comment la probabilité de percolation des dispersions aléatoires des bâtonnets 2D est affectée par l'orientation des bâtonnets. D'autres ont développé un modèle informatique plus sophistiqué capable de calculer la conductivité des dispersions de tiges 3D, trouvant à nouveau qu'un léger degré d'alignement axial améliore la conductivité.
"Les réseaux de nanofils métalliques présentent un grand potentiel d'application dans diverses formes de technologie, " dit Jagota. " Ce modèle informatique, qui a fait ses preuves grâce à sa bonne adéquation avec les données précédemment publiées, a démontré quantitativement comment différentes configurations d'orientation peuvent avoir un impact sur la conductivité des réseaux de nanofils métalliques."
« La restriction de l'orientation peut améliorer la conductivité dans une seule direction de manière significative, qui peut être pertinent dans une variété de technologies où le flux de courant n'est requis que dans un sens, " dit Tansu. " Étonnamment, les configurations d'orientation fortement contrôlées ne présentent pas de conductivité supérieure; un certain degré d'aléatoire dans l'orientation agit en effet pour améliorer la conductivité des réseaux. Cette approche peut avoir des impacts considérables sur l'amélioration de la propagation du courant dans les dispositifs optoélectroniques, spécifiquement sur l'émetteur ultraviolet profond avec une mauvaise couche de contact de type p."
