Formación directa de cableado de nanotubos de carbono con resistencia eléctrica controlada sobre películas plásticas

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2254 (2023) Citar este artículo

2108 Accesos

1 Citas

76 Altmetric

Detalles de métricas

Hemos desarrollado un método simple para fabricar cableado de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) en una película de plástico a temperatura ambiente bajo presión atmosférica. Al irradiar una película delgada de MWNT recubierta con una película de polipropileno (PP) con un láser, se puede fabricar directamente un cableado conductor hecho de un compuesto de MWNT y PP sobre la película de PP. La resistencia del cableado MWNT fabricado con este método oscilaba entre 0,789 y 114 kΩ/cm. Al cambiar la velocidad de escaneo del láser, pudimos fabricar varias regiones con diferentes resistencias por unidad de longitud, incluso dentro de un solo cableado. El mecanismo de formación del cableado MWNT con resistencia sintonizable se discutió a partir de resultados experimentales, como la observación estructural microscópica utilizando microscopía electrónica de barrido transversal e imágenes Raman microscópicas, y resultados de simulación, como la conducción de calor en la película durante el calentamiento por láser local. Los resultados sugieren que el cableado de MWNT se formó por difusión de PP en MWNT a alta temperatura. También demostramos que el exceso de MWNT que no se utilizó para el cableado se podía recuperar y utilizar para fabricar nuevos cableados. Este método podría utilizarse para realizar dispositivos totalmente de carbono, como sensores flexibles livianos, dispositivos de conversión de energía y dispositivos de almacenamiento de energía.

Los dispositivos flexibles totalmente de carbono han llamado la atención como dispositivos posteriores al silicio debido a su flexibilidad, peso ligero y excelentes propiedades físicas y químicas1,2,3. Los nanotubos de carbono (CNT) son uno de los bloques de construcción más prometedores para dispositivos flexibles totalmente de carbono debido a sus intrigantes propiedades físicas y químicas4. Recientemente, además de los dispositivos CNT en sustratos rígidos5,6, se han informado ampliamente dispositivos CNT en sustratos flexibles como películas plásticas7,8,9,10,11. Los dispositivos flexibles basados en CNT generalmente se fabrican mediante los siguientes pasos porque los sustratos flexibles típicos no están disponibles para el proceso de crecimiento a alta temperatura12. En primer lugar, los CNT se cultivan en sustratos rígidos mediante deposición química de vapor (CVD). Luego, los CNT se modelan mediante procesos de litografía. Finalmente, los cableados de CNT se transfieren a un sustrato flexible13. Este método tiene dos problemas: uno de ellos es que se requieren procesos secuenciales que incluyen el proceso de alta temperatura y el proceso de sala limpia. La otra es que, dado que la resistencia eléctrica del cableado de CNT transferido está determinada por la resistencia de las películas de CNT antes de la transferencia, para producir cableado de CNT de varios valores de resistencia, se requieren procesos de transferencia repetidos. Por lo tanto, es necesario desarrollar un proceso simple que pueda formar cableados CNT con resistencia controlada directamente sobre sustratos plásticos.

Se han informado dos métodos principales para fabricar cableados CNT en sustratos de plástico directamente, el llamado método de transferencia directa inducida por láser (LIFT)14 y el método de fusión térmica (TF)15,16,17,18. El método LIFT es una tecnología en la que un material irradiado por un láser se transfiere a un sustrato de destino en las proximidades, logrando así la escritura directa del cableado CNT independientemente de los materiales del sustrato19. Los métodos LIFT pueden transferir nanotubos de carbono a diversos sustratos, como aluminio, poliimida, vidrio y cuarzo mediante irradiación láser a través de máscaras estampadas20,21,22. En el método LIFT, controlar la resistencia de los cableados CNT es difícil porque es necesario preparar material donante con diferente resistencia. Además, el método LIFT suele requerir costosos láseres pulsados. En los métodos TF, los nanotubos de carbono se mezclaron con polímeros que incluyen polipropileno (PP), policarbonato (PC) y epoxi por adelantado15,16,17,18. Luego, el compuesto se calentó localmente usando un láser para vaporizar los polímeros de forma selectiva. Como resultado, se formó el cableado CNT. El método TF puede controlar la resistencia del cableado CNT en un sustrato flexible cambiando las condiciones del láser. Por ejemplo, se informó que la resistencia del cableado CNT oscilaba entre 0,021 y 464 kΩ/cm a medida que variaban las condiciones del láser17. Sin embargo, el método TF es problemático porque los CNT deben mezclarse con el polímero por adelantado y, para ello, se requiere una gran cantidad de CNT para fabricar cableados. Esto implica que la mayoría de los nanotubos de carbono del compuesto no se utilizan. El método TF requiere un láser de alta potencia para la ablación del polímero.

Desde el punto de vista de la sostenibilidad del material, se espera la utilización eficiente de los CNT, como el reciclaje de donantes no utilizados en el método LIFT y los CNT integrados no utilizados en el método TF. Sin embargo, hasta donde sabemos, no ha habido informes sobre el reciclaje de CNT no utilizados en los métodos LIFT y TF.

En este estudio, para resolver los problemas mencionados anteriormente, se desarrolló un nuevo método de fabricación de cableados CNT, que se basa en el método LIFT y TF. Con este método, los cableados CNT se pueden fabricar directamente en películas de PP utilizando un láser semiconductor de bajo costo a temperatura ambiente (RT) bajo presión atmosférica. La resistencia de los cableados CNT varió de 0,789 a 114 kΩ/cm a medida que variaron las condiciones del láser. Es posible formar regiones alternas de alta y baja resistencia en un solo cable. El mecanismo de formación del cableado CNT con resistencia sintonizable se discutió a partir de resultados experimentales, como la observación estructural microscópica utilizando microscopía electrónica de barrido transversal (XSEM) e imágenes Raman microscópicas, y resultados de simulación, como la conducción de calor en la película durante el láser local. calefacción. En este estudio también se demuestra la recuperación de CNT no utilizados y su reutilización como materiales de origen para el cableado de CNT.

El método de fabricación propuesto se muestra esquemáticamente en la figura 1. Se compraron nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) dispersos en agua (2,0% en peso) de Meijo Nano Carbon Co., Ltd., Japón (MW-I). Para preparar la solución para la deposición por pulverización, la dispersión de MWNT se diluyó mezclando 12 ml de la solución tal como se recibió con 20 ml de agua desionizada (DI). A continuación, la dispersión se vertió en el depósito de solución de una máquina pulverizadora hecha a medida23. películas de PP [espesor 200 µm; tamaño 5 × 5 cm; P466-1, (MISUMI Corporation, Japón)] se fijaron en la superficie de una placa caliente (HP-1SA, AS ONE Corporation, Osaka, Japón) y se calentaron al aire a 70 °C. La dispersión de CNT se roció sobre las películas de PP calentadas. El área de rociado fue de 120 × 80 mm y en esta área se colocaron dos películas de PP (Fig. 1a). El espesor medio de las películas de MWNT fue de aproximadamente 10 µm. La Figura 1b muestra la película MWNT sobre la película PP ubicada en una platina X-Y motorizada (SGSP20-35, SIGMAKOKI CO., LTD., Japón). Este se irradió con un láser (DL-5146-101S, SANYO Electric Co., Ltd., Japón) (30–66 mW, λ = 405 nm) a diferentes velocidades de exploración en el rango de 5 µm/s–1 mm/ s (los esquemas del sistema también se muestran en la Fig. S1). El láser se conectó a un cabezal con un controlador de temperatura incorporado (ALTH-103BC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., LTD., Japón) y se equipó un colimador (ACH-10B, ASAHIDATA SYSTEMS Co. LTD., Japón) con una lente con una distancia focal de 4 mm y una distancia de trabajo de 2,3 mm. El láser fue impulsado por un controlador de láser (ALP-7033CC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., Ltd., Japón). Luego, las películas se sonicaron (1510J-MT, Yamato Scientific Co., Ltd., Japón) durante 15 minutos para eliminar la película MWNT restante y luego se soplaron con N2 (Fig. 1c, d). La figura 1e muestra una fotografía de un cableado MWNT típico fabricado con este método. Todos los experimentos se realizaron bajo presión ambiental a temperatura ambiente.

Ilustración esquemática de la fabricación de cableado CNT sobre sustrato de polipropileno. ( a ) Esquema de formación de película CNT en PP. ( b ) Irradiación láser de película CNT en PP. ( c ) Esquema de limpieza con agua DI después de la irradiación con láser y ( d ) después de la limpieza. (e) Cableado de CNT fabricado sobre PP bajo flexión.

Para medir las propiedades de transporte eléctrico, se utilizó pasta Ag (DOTITE D-500, FUJIKURA KASEI Co., Ltd.) para obtener contacto óhmico entre los cables y las sondas MWNT. Se utilizó un medidor de fuente (2612A, Keithley, OH, EE. UU.) y una estación de sonda para las mediciones de corriente-voltaje (I-V). La microestructura se observó utilizando SEM de emisión de campo (SUPRA 40, Carl Zeiss, Jena, Alemania). El ancho del cableado MWNT se caracterizó por microscopía óptica (HISOMET2, Union Optical Co., LTD., Japón). La resistencia a la flexión se midió con radios de flexión que variaban de 4,8 a 16 mm. Para demostrar que la resistencia se puede controlar en función de la velocidad de escaneo del láser, se midió la distribución de temperatura mediante termografía (IRC30, Teledyne FLIR LLC). Se aplicó un voltaje de 32 V utilizando una fuente de alimentación de CC (GPD-2303S, Good Will Instrument Co., Ltd., Taiwán). Los espectros Raman se obtuvieron utilizando un microscopio Raman (inVia Reflex, Renishaw plc., Reino Unido).

Las simulaciones de conducción de calor basadas en el método de elementos finitos (FEM) se realizaron utilizando el software COMSOL Multiphysics. La estructura del modelo para la simulación FEM fue una multicapa que constaba de una película CNT con un espesor de 20 µm y una película de PP con un grosor de 200 µm. La conductividad térmica de la película CNT y la película PP fue de 1,2 y 0,2 W/mK, respectivamente. El láser se convirtió en calor en la película CNT y el calor se aplicó a la película CNT y PP. En esta simulación, en lugar de un láser, se aplicó flujo de calor gaussiano a la película CNT. La desviación estándar de la distribución gaussiana fue un tercio del diámetro del punto (1340 μm).

También se realizó una simulación de calor Joule basada en FEM usando COMSOL Multiphysics. La figura S2 muestra la estructura del dispositivo simulado que consta de películas de PP (alto 16 mm, ancho 65 mm) y cableado MWNT. Se fabricó cableado MWNT con resistencias de 1 y 20 kΩ/cm en un solo cable ajustando el ancho del cableado.

En este método, se pueden desperdiciar MWNT en película de PP que no ha sido irradiada por el láser. Desde el punto de vista de la sostenibilidad de los materiales, es importante reciclar los MWNT no utilizados. Realizamos una demostración del reciclaje a través del siguiente procedimiento. En primer lugar, se preparó una película de MWNT sobre una película de PP utilizando el procedimiento descrito anteriormente. En segundo lugar, los cableados MWNT se fabricaron mediante irradiación láser con una potencia de irradiación de 66 mW y una velocidad de exploración de 1 mm/s. En tercer lugar, después de sonicar la película irradiada con láser en 50 ml de agua desionizada durante 15 min, se obtuvieron los cableados de MWNT en la película de PP y una solución acuosa de MWNT. La solución obtenida se sonicó utilizando un homogeneizador ultrasónico (FS300N, Shenzhen XinzhiBang Inst & Eq. Co., Ltd., China) con una potencia de salida de 300 W durante 10 min. En cuarto lugar, se midieron las propiedades I-V de los cableados. Finalmente, una vez que se completó este proceso, volvimos al segundo paso de este procedimiento y fabricamos nuevos cableados MWNT en una nueva película de PP utilizando la solución MWNT reciclada. El procedimiento de reciclado se repitió cuatro veces y se obtuvieron las resistencias de los cableados MWNT en función del número de reciclados.

La Figura 2a muestra la resistencia eléctrica en función del número de escaneos láser, con una potencia láser de 66 mW y una velocidad de escaneo de 1 mm/s. Las muestras no se sonicaron entre escaneos láser. En otras palabras, las muestras se sonicaron solo una vez al final de los múltiples escaneos láser. Después de un único escaneo láser, la resistencia fue de 14,6 kΩ/cm. La resistencia de la zona sin cableado estaba por encima de los 40 GΩ, que es el límite de medida, por lo que sólo existían MWNT en la zona irradiada por el láser. No hubo MWNT en otras áreas. La resistencia disminuyó con un número creciente de exploraciones. La resistencia fue de 14,6 kΩ/cm por 1 escaneo y disminuyó a 3,72 kΩ/cm después de 10 escaneos. Durante 7 escaneos, las resistencias fueron similares para cada valor. Las imágenes XSEM alrededor de los cableados MWNT se muestran en los recuadros de la Fig. 2a. Se encontró que había un plano límite donde el contraste cambiaba claramente (mostrado por las flechas). Las diferencias, por el contrario, pueden reflejar diferencias en las concentraciones de MWNT. El grosor de la región brillante, donde la concentración de MWNT podría ser alta, fue de aproximadamente 1,4 μm después de 5 escaneos y de aproximadamente 4,8 μm después de 10 escaneos, lo que indica que el grosor aumenta con el número de escaneos.

(a) Resistencia por cm en función del tiempo de irradiación del láser (potencia del láser 66 mW y velocidad de exploración 1 mm/s). Los recuadros muestran las imágenes SEM transversales de las muestras después de 5 y 10 escaneos. Las barras de escala son de 2 μm. ( b ) Imágenes SEM de vista superior y transversales. Las barras de escala son de 0,5 μm. Resistencia por cm en función de (c) la velocidad de escaneo y (d) la potencia del láser. Las barras de error indican valores máximos y mínimos.

Para investigar la estructura local de la región brillante con más detalle, se observaron las imágenes SEM. La Figura 2b muestra las imágenes SEM de la vista superior y las imágenes XSEM ampliadas de los cableados MWNT después de uno y cinco escaneos. Después de un escaneo, se observaron nanoestructuras fibrosas incrustadas en la película en la región brillante, lo que indica que MWNT y PP se mezclaron en la película. Sin embargo, después de cinco escaneos, se encontró que las nanoestructuras fibrosas, que parecían ser MWNT, estaban enredadas. Parece que la concentración relativa de PP para las cinco exploraciones fue inferior a la de una exploración.

La figura 2c muestra la resistencia eléctrica promedio en función de la velocidad de exploración a varias potencias de láser. Para cada condición de irradiación, se prepararon un par de muestras y se midieron sus propiedades I-V. La resistencia disminuyó con el aumento de la velocidad de exploración, y la distribución siguió una distribución de ley de potencias aproximada. El cableado MWNT mostró una resistencia controlable de 0,789 a 114 kΩ/cm. La figura 2d muestra la resistencia eléctrica promedio en función de la potencia del láser a varias velocidades de exploración. La resistencia disminuyó exponencialmente con la potencia del láser. Se encontró que las muestras preparadas bajo las mismas condiciones de irradiación presentaban resistencias del mismo orden de magnitud.

A continuación, se midió el ancho de línea promedio del cableado MWNT usando un microscopio óptico. El ancho de línea se definió como la longitud del área negra perpendicular a la dirección de escaneo del láser (ver recuadro, Fig. 3a). Las muestras se prepararon y midieron tres veces. La figura 3a muestra los anchos de línea promedio en función de la velocidad de escaneo del láser para varios ajustes de potencia del láser. Los anchos de línea rara vez cambiaban con la velocidad de exploración del láser, excepto a una velocidad de exploración de 1 mm/s. Por el contrario, los anchos de línea aumentaron con la potencia del láser y variaron de 292 a 683 µm dependiendo de las condiciones del láser. La Figura 3b muestra el ancho de línea en función del número de escaneos láser para potencias de láser de 30 y 66 mW a una velocidad de escaneo de 1 mm/s. Los anchos de línea rara vez cambiaban con el número de escaneos, y los anchos aumentaban con la potencia del láser.

(a) Ancho de línea de los cableados MWNT en función de la velocidad de escaneo del láser para varias potencias de láser. (b) Ancho de línea de los cableados MWNT en función del número de escaneos (velocidad de escaneo 1 mm/s). ( c ) Espectros Raman de cableados MWNT para varias velocidades de escaneo láser. ( d ) Mapeo Raman de la relación G-D de cableados MWNT para varias velocidades de escaneo con diferentes valores de resistencia dentro de un solo cable.

Se realizó un análisis Raman para investigar el efecto de la irradiación láser sobre la cristalinidad de los MWNT. La Figura 3c muestra los espectros Raman de los cableados MWNT a varias velocidades de escaneo láser y la película MWNT antes de la irradiación láser. Hubo dos picos característicos24,25: la banda D (~ 1350 cm−1) y la banda G (~ 1580 cm−1), que representan los defectos y la naturaleza grafítica de los enlaces sp2, respectivamente. La relación G/D indica la cristalinidad de los MWNT. Estos se estimaron en 0,73 para una velocidad de escaneo de 0,05 mm/s, 0,90 para una velocidad de escaneo de 1 mm/s y 0,78 para MWNT prístinos. Por lo tanto, cuanto mayor sea la velocidad de exploración, mayor será la cristalinidad de los cableados MWNT. En comparación con la cristalinidad de los MWNT prístinos, a velocidades de exploración más lentas, se encontró que la cristalinidad estaba ligeramente degradada. Esta tendencia sugiere que, dependiendo de las diferentes condiciones de irradiación, el calentamiento local del láser provoca una mejora de la cristalinidad o la formación de defectos.

La Figura 3d muestra una imagen de microscopio óptico superpuesta y un mapeo Raman en la interfaz de las muestras fabricadas a diferentes velocidades de escaneo en un solo cableado. Se confirmó que la relación G/D cambió significativamente en la interfaz donde se cambió la velocidad de escaneo. Los cableados MWNT con velocidades de exploración más lentas tenían relaciones G/D más pequeñas, lo que indica una baja cristalinidad. Creemos que los MWNT se oxidaron al aumentar la temperatura de la superficie del MWNT para la irradiación láser de larga duración, lo que puede explicar la relación entre la menor velocidad de exploración y la menor cristalinidad. Aunque los MWNT con más defectos deberían tener mayor resistencia, este resultado mostró la tendencia opuesta. Las razones de esto se consideraron de la siguiente manera.

La resistencia por unidad de longitud (R) se puede expresar como \(R=\frac{\rho }{wd}\), según la ley de Ohm26, donde ρ, w y d son la resistividad, el ancho y la profundidad de la cableado, respectivamente. Los anchos de línea eran independientes de la velocidad de escaneo y el número de escaneos láser, como se muestra en las Fig. 3a y b. Por otro lado, como se muestra en las Fig. 2a yb, tanto el grosor del cableado como la concentración relativa de MWNT (es decir, correspondiente a ρ en el cableado) aumentaron al aumentar el número de irradiaciones. Si la acumulación temporal de energía fotónica determina la fusión térmica de los MWNT y las películas de PP, un aumento en el número de escaneos podría ser sinónimo de una disminución en la velocidad de escaneo. Por lo tanto, se considera que la resistencia del cableado está determinada principalmente por ρ y d. La razón de la disminución de la resistencia del cableado a pesar de la degradación de la cristalinidad local durante el escaneo lento podría ser que tanto la reducción de ρ como el aumento de d fueron más dominantes que la degradación de la cristalinidad local de los MWNT.

Para investigar el mecanismo de formación de los cableados MWNT, se realizaron observaciones XSEM y simulaciones de conducción de calor basadas en FEM. La figura 4a muestra una imagen XSEM del cableado MWNT con una potencia de láser de 66 mW y una velocidad de exploración de 0,05 mm/s. Todas las áreas en la Fig. 4a son negras cuando se observan desde arriba. En el área central se encontró una capa gruesa, que parecía ser una película de MWNT. Su longitud era superior a 200 µm. Se observaron agujeros submicrónicos entre los límites de la película MWNT a una profundidad de 60 μm. Para determinar la distribución de orificios, se obtuvo de las imágenes XSEM la distribución de densidad de los orificios en una región con un ancho de 25 μm y una profundidad promedio de 60 μm. La figura 4b muestra la distribución de densidad medida de los agujeros y el ajuste de la función gaussiana. El ancho total a la mitad del máximo de la función gaussiana es de 264,74 µm, y la distribución de agujeros es consistente con la gruesa capa MWNT.

( a ) Imágenes XSEM de cableado MWNT (potencia láser 66 mW, velocidad de escaneo 0,05 mm / s). (b) Distribución de densidad de huecos en PP. (c) Distribución de temperatura en PP simulada con COMSOL Multiphysics. (d) Imágenes SEM de vista superior y espectros Raman del cableado MWNT con una potencia láser de 66 mW y una velocidad de exploración de 0,05 mm/s desde el centro hasta el borde del cableado. A, B y C indican el centro, el medio y el borde del cableado MWNT, respectivamente. Las barras de escala son de 0,5 μm. ( e ) Mecanismo de formación especulado de cableados MWNT.

Se ha informado que se forman orificios cuando se calientan las películas de plástico independientes, y el número de orificios aumenta con la temperatura27. Por lo tanto, se consideró que la capa gruesa de MWNT era una región de alta temperatura. La distribución de temperatura de la película bajo irradiación láser se investigó utilizando el FEM. La Figura 4c muestra una distribución de temperatura superpuesta en el límite de la capa MWNT y PP y la distribución de temperatura de la película. El calor se conduce preferentemente en dirección horizontal en lugar de en dirección vertical porque la conductividad térmica es más alta para las películas de MWNT que para las de PP. La temperatura alrededor de la superficie del conjunto era más alta que la de la película. Esto es coherente con la distribución del número de agujeros, lo que indica que la región con una capa gruesa de MWNT es una región de alta temperatura.

La figura 4d muestra las imágenes SEM de vista superior y los espectros Raman del cableado MWNT, cuyas condiciones de irradiación fueron la potencia del láser de 66 mW y la velocidad de exploración de 0,05 mm/s, en el centro (A), medio (B) , y posiciones de borde (C) del cableado. La distancia entre cada posición fue de aproximadamente 100 μm. Aunque los MWNT se observaron claramente en la región central, en la región media se observó una estructura en la que algunos MWNT estaban enterrados en la película de PP. En la región del borde, se incrustaron muchos MWNT en la película de PP. Por otro lado, las relaciones G/D de los espectros Raman fueron casi constantes dentro de las regiones observadas.

El PP se difunde ampliamente en la película MWNT porque el PP de alta temperatura tiene un alto coeficiente de difusión28. En consecuencia, alrededor de la región central, se incrementó el grosor de la capa compuesta MWNT-PP, como se muestra en la Fig. 4a. Además, se supuso que se evaporaba una gran cantidad de PP, lo que provocaba la exposición de los MWNT. Mientras tanto, dado que la temperatura disminuye en la región cercana al borde, el espesor de la región de fusión se considera más delgado debido al menor coeficiente de difusión del PP. La película enterrada de MWNT en el PP se formó porque la cantidad de PP evaporado disminuyó a una temperatura más baja. En este caso, la diferencia de temperatura en diferentes lugares rara vez afectó la cristalinidad de los MWNT. Sin embargo, afectó la difusión y evaporación del PP.

En resumen, el mecanismo de formación de los cableados MWNT se puede considerar de la siguiente manera. Como se muestra en la Fig. 4e, la película MWNT es irradiada por un láser y genera calor porque los MWNT tienen una alta eficiencia de conversión fototérmica29. Las conductividades térmicas de la película MWNT y PP fueron 15 y 0,180 W/mK, respectivamente30,31. Por lo tanto, el calor se conduce preferentemente en dirección horizontal, lo que resulta en altas temperaturas en la interfase MWNT-PP y bajas temperaturas en las películas de PP. El PP de alta temperatura se difundió en la película MWNT. En el centro del láser, que es la región de alta temperatura, una gran cantidad de PP se difunde en la película MWNT. Sin embargo, en el borde del láser, donde la temperatura es más baja, una pequeña cantidad de PP se difunde en la película MWNT. El PP difundido en la película MWNT forma una capa compuesta de PP/MWNT. Por lo tanto, se formó un compuesto grueso de PP/MWNT en el centro del láser, mientras que se formó un compuesto delgado de PP/MWNT en el borde del láser. A medida que aumentaba la potencia del láser, aumentaba el grosor del compuesto PP/MWNT, lo que puede haber disminuido la resistencia debido a la gran cantidad de MWNT en la capa gruesa de MWNT.

Descubrimos que la resistencia del cableado MWNT se puede cambiar controlando las condiciones del láser. Para visualizar el cambio de resistencia en el cableado, se aplicó un voltaje a un cableado a una velocidad de exploración variable y la distribución de temperatura se midió mediante termografía. La figura 5a muestra el esquema, la fotografía, la imagen termográfica y la imagen de simulación. La temperatura aumenta debido al calentamiento Joule en la región donde la velocidad de exploración del láser es rápida. Este resultado es consistente con los resultados de la simulación. Se demostró que se pueden formar cables con diferentes valores de resistencia simplemente cambiando la velocidad de exploración del láser.

(a) Mapa de temperatura del cableado MWNT y resultado de la simulación con fotografía y diagrama esquemático. (b) Valores R/R0 con diferentes radios de flexión. R0 es la resistencia inicial. (c) Prueba de flexión repetida con un radio de flexión de 9,5 mm. (d) Resistencia por cm en función del número de reciclados.

La Figura 5b muestra la relación de la resistencia (R) del cableado MWNT bajo flexión y la resistencia (R0) bajo condiciones planas en función del radio de flexión. La resistencia del cableado MWNT se mantuvo constante en condiciones de flexión. Para investigar la confiabilidad del cableado MWNT, se realizó una prueba de flexión repetida. La película se dobló 1000 veces con un radio de curvatura de 9,5 mm. Como se muestra en la Fig. 5c, la resistencia del cableado MWNT permaneció constante incluso después de 1000 ciclos de flexión, lo que indica que el cableado es altamente confiable sin degradación estructural debido a la flexión. El cableado MWNT fabricado exhibió flexibilidad. Se ha informado que MWNT y los compuestos poliméricos varían en resistencia bajo flexión debido a que la matriz polimérica se estira, aumentando la distancia MWNT-MWNT y disminuyendo el número de rutas conductoras, lo que resulta en una disminución en la resistencia32,33,34. La resistencia constante de los cableados MWNT bajo flexión se puede atribuir a la alta densidad de MWNT en la capa compuesta MWNT-PP. Como se muestra en la Fig. 2b, la capa compuesta de PP/MWNT formó una película de MWNT densa y aleatoria. Cuando se dobló el cableado del MWNT, la matriz se estiró, mientras que la cantidad de rutas conductoras no cambió debido a la importante área de contacto entre el MWNT y el MWNT–MWNT. Por lo tanto, se concluyó que la resistencia del cableado no cambió al doblarse.

A continuación, demostramos el reciclaje de MWNT no utilizados en películas de PP. Hicimos soluciones acuosas de MWNT a partir de los MWNT no utilizados, que se encuentran en el área no irradiada por el láser. La solución de MWNT recuperada se usó para rociar nuevamente. La Figura 5d muestra la resistencia de los MWNT en función del número de reciclados. La resistencia del cableado MWNT fabricado con el método descrito se mantuvo casi constante hasta un factor de cuatro. Se demostró que este método puede reducir la cantidad de MWNT utilizados y puede usarlos de manera más eficiente que los métodos de fusión térmica convencionales.

En este estudio, la formación de cableado MWNT se demostró depositando MWNT por aspersión en una película de PP e irradiándolos con un láser. Los cableados MWNT fabricados exhibieron una resistencia controlable que oscilaba entre 0,789 y 114 kΩ/cm, según las condiciones del láser. Se encontró que el ancho de línea no depende de la velocidad de exploración del láser, sino de la intensidad del láser. La observación de XSEM del cableado MWNT reveló que se formó una capa gruesa de MWNT en el centro del cableado MWNT. Además, la formación de un agujero debajo de la capa gruesa de MWNT y los resultados de la simulación indican que la capa gruesa de MWNT era una región de alta temperatura. Por lo tanto, se concluyó que la difusión de PP a alta temperatura en la película MWNT formó una capa gruesa de MWNT, lo que resultó en una disminución de la resistencia.

Los cableados MWNT fabricados con el método descrito no mostraron cambios en la resistencia al doblarse. Los MWNT que no se usaron para el cableado se pudieron reciclar fácilmente y la resistencia no cambió después del reciclaje. Los cableados MWNT fabricados son flexibles, requieren un bajo uso de MWNT y se pueden fabricar directamente en PP con resistencia controlable en una atmósfera sin vacío. Esta tecnología podría usarse para fabricar cableados de carbono y dispositivos de carbono para sensores flexibles, que se espera que se vuelvan populares en los mercados a gran escala.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Sol, D.-M. et al. Circuitos integrados totalmente de carbono moldeables. Nat. común 4, 2302. https://doi.org/10.1038/ncomms3302 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Rana, M., Asim, S., Hao, B., Yang, S. y Ma, P.-C. Nanotubos de carbono sobre algodón carbonizado altamente interconectado para un almacenamiento de energía ligero y flexible. Adv. Sostener. sist. 1, 1700022. https://doi.org/10.1002/adsu.201700022 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Zou, Y. et al. Fabricación de dispositivos electrónicos de nanotubos de carbono sobre sustratos flexibles mediante CVD y métodos de transferencia. Adv. Mate. 25, 6050–6056. https://doi.org/10.1002/adma.201302265 (2013).

Artículo CAS Google Académico

de Heer, WA et al. Películas de nanotubos de carbono alineados: Producción y propiedades ópticas y electrónicas. Ciencia 268, 845–847. https://doi.org/10.1126/science.268.5212.845 (1995).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Funde, AM et al. Célula solar híbrida de nanotubos de carbono y silicio amorfo con eficiencia de conversión mejorada. Nanotecnología 27, 185401. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/18/185401 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Matano, S. et al. Generación eléctrica de radiación de banda ancha polarizada a partir de una película de nanotubos de carbono alineados en el chip. Materia ACS. Letón. 4, 626–633. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00058 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Cao, Q. et al. Circuitos integrados de película delgada de nanotubos de carbono de escala media sobre sustratos plásticos flexibles. Naturaleza 454, 495–500. https://doi.org/10.1038/nature07110 (2008).

Artículo ADS CAS Google Académico

Sol, D.-M. et al. Circuitos integrados flexibles de nanotubos de carbono de alto rendimiento. Nat. Nanotecnología. 6, 156–161. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.1 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Snow, ES, Campbell, PM, Ancona, MG & Novak, JP Transistores de película delgada de nanotubos de carbono de alta movilidad sobre un sustrato polimérico. aplicación física Letón. 86, 033105. https://doi.org/10.1063/1.1854721 (2005).

Artículo ADS CAS Google Académico

Landi, BJ, Ganter, MJ, Cress, CD, DiLeo, RA & Raffaelle, RP Nanotubos de carbono para baterías de iones de litio. Entorno Energético. ciencia 2, 638–654. https://doi.org/10.1039/B904116H (2009).

Artículo CAS Google Académico

Largo, G. et al. Circuitos flexibles de alta velocidad basados en nanotubos de carbono con retrasos de etapa de subnanosegundos. Nat. común 13, 6734. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34621-x (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Halonen, N. et al. Crecimiento a baja temperatura de nanotubos de carbono de pared múltiple por CVD térmico. física Estado sólido B 248, 2500–2503. https://doi.org/10.1002/pssb.201100137 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Tsai, TY, Lee, CY, Tai, NH y Tuan, WH Transferencia de nanotubos de carbono alineados verticalmente estampados en sustratos de plástico para dispositivos electrónicos flexibles y de emisión de campo. aplicación física Letón. 95, 013107. https://doi.org/10.1063/1.3167775 (2009).

Artículo ADS CAS Google Académico

Serra, P. & Piqué, A. Transferencia directa inducida por láser: Fundamentos y aplicaciones. Adv. Mate. Tecnología 4, 1800099. https://doi.org/10.1002/admt.201800099 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Colucci, G., Beltrame, C., Giorcelli, M., Veca, A. & Badini, C. Un enfoque novedoso para obtener pistas conductoras en nanocompuestos PP/MWCNT mediante impresión láser. RSC Avanzado. 6, 28522–28531. https://doi.org/10.1039/c6ra02726a (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Cesano, F., Uddin, MJ, Damin, A. & Scarano, D. Trayectorias conductoras multifuncionales obtenidas mediante procesamiento láser de compuestos de polipropileno/nanotubos de carbono no conductores. Nanomateriales 11, 604. https://doi.org/10.3390/nano11030604 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Caradonna, A., Tagliafierro, F., Veca, A. & Badini, C. Impresión láser de pistas conductoras con resistencia eléctrica extremadamente baja en compuestos de nanotubos de polímero y carbono: un estudio de optimización de los parámetros de configuración del láser mediante el diseño del enfoque experimental. polim. Ing. ciencia 58, 1485–1493. https://doi.org/10.1002/pen.24717 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Largo, CJ et al. Mejora de la conductividad de la superficie gigante en un compuesto de nanotubos de carbono por exposición a la luz ultravioleta. Aplicación ACS. Mate. Interfaces. 8, 23230–23235. https://doi.org/10.1021/acsami.6b04522 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Constantinescu, C. et al. Transferencia directa inducida por láser de nanoparedes de carbono para la fabricación de electrodos blandos. aplicación Navegar. ciencia 374, 49–55. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.09.089 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Boutopoulos, C., Pandis, C., Giannakopoulos, K., Pissis, P. y Zergioti, I. Patrones compuestos de nanotubos de polímero/carbono mediante transferencia directa inducida por láser. aplicación física Letón. 96, 041104. https://doi.org/10.1063/1.3299004 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Palla-Papavlu, A., Dinescu, M., Wokaun, A. & Lippert, T. Transferencia directa inducida por láser de nanotubos de carbono de pared simple. aplicación física A 117, 371–376. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8473-5 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Arutyunyan, NR et al. Impresión de nanotubos de carbono de pared simple mediante transferencia directa inducida por láser basada en blíster. Fisioterapia Láser. https://doi.org/10.1088/1555-6611/aaf644 (2019).

Artículo Google Académico

Komatsu, H., Kawamoto, Y. & Ikuno, T. Películas de nanocompuestos de ZnO-celulosa translúcidos independientes para aplicaciones de sensores ultravioleta. Nanomateriales 12, 940 (2022).

Artículo CAS Google Académico

DiLeo, RA, Landi, BJ & Raffaelle, RP Evaluación de pureza de nanotubos de carbono de paredes múltiples mediante espectroscopia Raman. Aplicación J. física 101, 064307. https://doi.org/10.1063/1.2712152 (2007).

Artículo ADS CAS Google Académico

Dresselhaus, MS, Dresselhaus, G., Saito, R. y Jorio, A. Espectroscopia Raman de nanotubos de carbono. física Rep. 409, 47–99. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.10.006 (2005).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kittel, C. Introducción a la física del estado sólido 5.ª ed. (Wiley, 1976).

Matemáticas Google Académico

Croll, AB & Dalnoki-Veress, K. Nucleación de orificios en membranas poliméricas independientes: los efectos de la arquitectura molecular variable. Materia blanda 6, 5547. https://doi.org/10.1039/c0sm00253d (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Palamara, JE, Mulcahy, KA, Jones, AT, Danner, RP & Duda, JL Solubilidad y difusividad de propileno y etileno en polipropileno atáctico por la técnica de sorción estática. Ing. Ind. química Res. 44, 9943–9950. https://doi.org/10.1021/ie050239u (2005).

Artículo CAS Google Académico

Liu, Y., Lin, Z., Wang, P., Huang, F. y Sun, J.-L. Medición de la eficiencia de conversión fototérmica de películas CNT utilizando un espectro Raman. Nanomateriales 12, 1101 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Yang, DJ et al. Conductividad térmica de nanotubos de carbono multipared. física Rev. B 66, 165440. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.165440 (2002).

Artículo ADS CAS Google Académico

Muratov, DS et al. Conductividad térmica mejorada del polipropileno relleno con partículas de nitruro de boro hexagonal (hBN) exfoliadas. Mate. Res. Expreso 8, 035010. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abed0f (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

En, JB, Lee, D., Fornasiero, F., Noy, A. & Grigoropoulos, CP Transferencia y patrón simultáneos asistidos por láser de matrices de nanotubos de carbono alineados verticalmente en sustratos de polímero para dispositivos flexibles. ACS Nano 6, 7858–7866. https://doi.org/10.1021/nn302192y (2012).

Artículo CAS Google Académico

Gui, X. et al. Una ruta fácil hacia nanocompuestos conductores isotrópicos mediante la infiltración directa de polímeros en esponjas de nanotubos de carbono. ACS Nano 5, 4276–4283. https://doi.org/10.1021/nn201002d (2011).

Artículo CAS Google Académico

Kanoun, O. et al. Revisión de sensores de presión y tensión flexibles y estirables basados en nanocompuestos de polímeros conductivos/CNT. Sensores 21, 341 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado en parte por Grant-in-Aid for Scientific Research (C)(22K04880) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, MEXT. Este trabajo fue apoyado en parte por la "Infraestructura de Investigación Avanzada para Materiales y Nanotecnología en Japón (ARIM)" del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT). Número de propuesta JPMXP1222NM0102. Nos gustaría agradecer a Editage (www.editage.com) por la edición en inglés.

Departamento de Electrónica Aplicada, Escuela de Graduados de Ingeniería Avanzada, Universidad de Ciencias de Tokio, Katsushika, Tokio, 125-8585, Japón

Hiroaki Komatsu, Takahiro Matsunami, Yosuke Sugita y Takashi Ikuno

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Conceptualización, TI, HK; metodología, Hong Kong; software, Hong Kong; validación, Hong Kong; análisis formal, HK, TM; investigación, HK, TM, YS; recursos, TI; curación de datos, HK, TM, YS; redacción—preparación del borrador original, HK; redacción—revisión y edición, HK, TI; visualización, Hong Kong; supervisión, TI; administración de proyectos, TI, HK; adquisición de fondos, TI Todos los autores leyeron y aceptaron la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Takashi Ikuno.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Komatsu, H., Matsunami, T., Sugita, Y. et al. Formación directa de cableado de nanotubos de carbono con resistencia eléctrica controlada sobre películas plásticas. Informe científico 13, 2254 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

Descargar cita

Recibido: 16 diciembre 2022

Aceptado: 07 febrero 2023

Publicado: 08 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Materiales emergentes (2023)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.