Все чаще производители электроники экспериментируют с технологией гибкого экрана, удивляя пользователей концептами и моделями смартфонов-раскладушек или сворачивающихся в рулон телевизоров. Однако пока индустрия материалов для такой техники только развивается, что сказывается на цене и объемах производства гнущейся электроники.
«Любой экран — это оптоэлектронное устройство, к нему, грубо говоря, подводятся контакты и в нем рождаются фотоны, поэтому один из контактов должен быть прозрачным, — объясняет научный сотрудник мегафакультета фотоники Университета ИТМО, профессор Академического университета Иван Мухин. — Сегодня для создания экранов активно используют оксид индия-олова (ITO), который работает хорошо, но не обладает гибкостью. Это довольно хрупкий материал. Его можно, конечно, сделать при определенных условиях гнущимся, но тогда он сильно проседает по оптоэлектронным свойствам».
Новые гибкие оптоэлектронные материалы ждут не только создатели смартфонов и телевизоров, но и инженеры-авиаторы. Сейчас все больше внимания уделяется разработке электрических авиационных двигателей, которые могли бы питаться в том числе солнечной энергией. Однако разместить традиционную солнечную батарею на крыле самолета или дрона не получится, поскольку это нарушит аэродинамику аппарата. С появлением дешевого гибкого оптоэлектронного материала можно будет создавать гнущиеся солнечные батареи, которыми буквально возможно обклеивать крылья и корпус.
Двуслойная модель
Многие научные группы пытались создать гибкие оптоэлектронные материалы на основе углеродных нанотрубок. По сути, это кусочки графена, свернутые в трубочку. Толщина стенок таких объектов равняется всего лишь одному-двум нанометрам, длина же трубки составляет от 10 до 100 микрон. Если эти полые нити переплести друг с другом, то получится очень тонкий и энергоэффективный материал, чем-то отдаленно напоминающий по своей структуре вату. Однако здесь есть сложность — слишком тонкий слой такого материала будет плохо проводить электроны, если же слой будет достаточно толстым, то его электропроводность будет лучше, чем у ITO, но его поверхность будет абсолютно черной.
Большая группа ученых из нескольких российских университетов совместно с финскими коллегами решили найти выход из этой ситуации. Вначале исследователи предложили концепцию двуслойного материала.
«Мы смоделировали исходно толстый слой нанотрубок, который вообще не пропускал свет, и смоделировали его поведение ― что будет, если вытравить в нем большое количество отверстий, то есть превратить его в сетку. Согласно расчетам, он становится оптически прозрачным, потому что дырок в нем больше, чем материала, но при этом он сохранил хорошую электропроводность. Однако для создания экрана он не годился, так как нам нужна сплошная поверхность. Поэтому мы добавили в модель еще один тончайший сплошной слой, который почти не уменьшил прозрачности», — поясняет Иван Мухин.
Расчеты свидетельствовали, что такой двуслойный материал будет прозрачным, хорошо проводить электроны и сможет работать на всей поверхности. То есть при встраивании его в экран свет будет идти из любой точки, а при встраивании в солнечную батарею частицы света будут собираться со всей поверхности устройства. При этом материал должен был получиться гибким.
«Моделирование подтвердило, что такой материал будет иметь в пределе лучшую эффективность, чем оксид индия-олова», — добавляет Иван Мухин.
От задумки к реализации
Для подтверждения теоретических концепций в Сколтехе были созданы слои углеродных нанотрубок разной толщины. Эта работа велась в сотрудничестве с исследователями из Университета Аалто. Затем образцы материала были доставлены в Петербург, где ученые Академического университета превратили толстые слои нанотрубок в сетку.
Затем необходимо было испытать двуслойный материал и проверить его эффективность. Эту работу выполняли совместно исследователи Университета ИТМО и Академического университета. В результате работа показала правильность изначальных выводов.
«Полученные экспериментальные данные совпали с точностью до 5% с теми, что были предсказаны. Таким образом, мы получили гибкий, прозрачный материал, который можно использовать как электрод в оптоэлектронных устройствах», — заключает Иван Мухин.
Работа ученых была опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Статья: Dmitry Mitin, Yury Berdnikov, Alexandr Vorobyev, Alexey Mozharov, Sergei Raudik, Olga Koval, Vladimir Neplokh, Eduard Moiseev, Daniil Ilatovskii, Albert G. Nasibulin, and Ivan Mukhin. Optimization of Optoelectronic Properties of Patterned Single-Walled Carbon Nanotube Films. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020/0.1021/acsami.0c14783
