Des chercheurs de Skoltech, du MIPT et d'ailleurs ont trouvé un moyen rapide et peu coûteux de créer des motifs géométriques dans des films de nanotubes de carbone. Les films résultants se sont avérés avoir des propriétés supérieures pour la fabrication de composants pour les appareils de communication 6G et les appareils électroniques flexibles et transparents, tels que les trackers de santé portables. La méthode de structuration est détaillée dans un article paru dans le Chemical Engineering Journal. .

Comme d’autres matériaux, les nanotubes de carbone possèdent plusieurs niveaux d’organisation. Au niveau atomique, un nanotube à paroi unique peut être visualisé comme une feuille 2D d'atomes de carbone (graphène) enroulés dans un cylindre. De tels cylindres peuvent coller ensemble, formant des fibres plus épaisses.

Les fibres peuvent s’interconnecter en un vaste réseau 3D poreux, recouvrant éventuellement une surface sous forme d’une fine couche :un film de nanotubes de carbone. Vous pouvez aller plus loin et modifier le film lui-même, par exemple en retirant une partie de sa matière et en lui imposant ainsi un motif géométrique.

"Notre équipe a trouvé un moyen très efficace de procéder et l'a utilisé pour créer un film de nanotubes de carbone en forme de maille. Auparavant, cela était réalisé en brûlant littéralement de nombreux trous dans un film. L'idée est de rendre le film plus transparent à le coût d'une certaine conductivité électrique.

"Nous nous retrouvons avec un conducteur transparent qui peut se plier, et c'est essentiellement la définition d'une électrode optique pour les appareils électroniques transparents et flexibles, tels que les biocapteurs qui surveillent la fréquence cardiaque, la respiration et l'oxygénation du sang de l'utilisateur", explique l'assistant co-auteur de l'étude. Le professeur Dmitry Krasnikov de Skoltech Photonics a déclaré, ajoutant que la structure maillée peut également servir de réseau de diffraction, un composant potentiellement utile dans la réception du signal 6G.

Il existe actuellement deux méthodes principales pour produire des films de nanotubes de carbone à motifs. Soit on réalise un film continu et on y brûle des trous, sacrifiant jusqu'à 90% de la matière, ce qui n'est clairement pas très économique. Ou bien, une lithographie très fine doit être utilisée pour fabriquer le film à motifs à partir de zéro.

Mais ce processus est également assez coûteux et complexe, impliquant plusieurs étapes et l'utilisation de solutions liquides, qui ont tendance à contaminer le film avec des impuretés et à compromettre ses propriétés.

"Notre approche présente un certain nombre d'avantages", a expliqué le chercheur principal de l'étude, le professeur Albert Nasibulin de Skoltech Photonics. "C'est reproductible, assez rapide, peu coûteux et polyvalent. Aucune solution liquide n'est utilisée, ce qui rend la méthode plus propre et garantit une haute qualité. En fait, le rapport transparence-conductivité du maillage, qui est son principal mérite jusqu'à présent, en ce qui concerne les électrodes optiques, c'est 12 fois meilleur que celui d'un film continu.

"De ce point de vue, la nouvelle technique surpasse la lithographie fine et est à égalité avec l'approche relativement inutile où l'on brûle (et perd !) le matériau supplémentaire. Nous pouvons également créer des motifs autres que des maillages."

Alors, comment ça marche? Les chercheurs fabriquent d’abord un modèle en cuivre du motif – dans ce cas un maillage carré – en le découpant dans une feuille de cuivre à l’aide d’un laser. Ils prennent ensuite une membrane filtrante en nitrocellulose, la recouvrent avec le gabarit et pulvérisent dessus des particules de cuivre, créant ainsi un motif complémentaire.

Si vous déposez ensuite des nanotubes de carbone sur le filtre, ils prendront le motif de maillage souhaité, car le cuivre pulvérisé les repousse. Et comme le film à motifs résultant n'adhère ni au cuivre ni à la nitrocellulose, il est facile de le transférer sur un autre substrat simplement en appuyant un morceau de caoutchouc, de verre ou un autre matériau sur le filtre.

Les scientifiques ont testé les propriétés de diffraction des réseaux, préparés sous forme de maillages 2D sur une fine couche de matériau élastique (élastomère). Un spectromètre térahertz a clairement enregistré les pics de diffraction familiers dans la partie optique de tout cours de physique générale, sauf que ces pics n'ont pas été observés dans la lumière visible mais dans la bande de fréquence THz, qui correspond à des longueurs d'onde d'environ 1 millimètre et est intermédiaire entre la lumière infrarouge. et micro-ondes.

Les chercheurs ont étiré le substrat élastique, faisant ainsi varier la période du réseau, et ont enregistré les déplacements des pics de diffraction associés en stricte conformité avec les lois optiques connues.

"La facilité, la simplicité et le coût relativement faible des structures de fabrication basées sur des films de nanotubes, combinés à la méthode efficace de spectroscopie THz quasi-optique (utilisant un faisceau de rayonnement THz incident dans un espace ouvert), offrent de vastes possibilités de fabrication et de test des performances de toutes sortes. "Une structure bidimensionnelle basée sur des nanotubes, qui pourrait être incorporée dans divers dispositifs et composants utilisant le rayonnement THz", a commenté Boris Gorshunov, co-auteur de l'étude, qui dirige le laboratoire de spectroscopie Terahertz au MIPT.

L’équipe rapportera bientôt des expériences similaires avec des motifs géométriques autres que des maillages – cercles concentriques et spirales – pour une imagerie THz avancée. Il s'agit d'une technologie sûre et non invasive pour les contrôles de sécurité et les examens médicaux qui repose sur le rayonnement dans la bande entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.

Plus d'informations : Ilya V. Novikov et al, Modelage rapide sans liquide de films SWCNT pour applications électroniques et optiques, Chemical Engineering Journal (2024). DOI :10.1016/j.cej.2024.149733

Informations sur le journal : Journal de génie chimique

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo