Прорыв в создании инновационного материала стал результатом совместной работы международной команды ученых из ведущих научных центров: Санкт-Петербургского Академического университета, Университета ИТМО, Сколковского института науки и технологий и финского Университета Аалто. Эта разработка обещает совершить революцию в производстве гибкой электроники и альтернативной энергетики.
Современный рынок электроники демонстрирует растущий интерес к устройствам с гибкими дисплеями — от складных смартфонов до сворачивающихся телевизоров. Однако широкому распространению таких технологий мешает отсутствие подходящих материалов. Существующие решения либо недостаточно гибки, либо теряют свои ключевые свойства при деформации.
«Любой дисплей является оптоэлектронным устройством. Если упростить, контакты, подключенные к нему, генерируют фотоны, поэтому один из этих контактов обязательно должен быть прозрачным», — поясняет Иван Мухин, научный сотрудник Школы фотоники Университета ИТМО. — «Сегодня для этого повсеместно используется оксид индия-олова (ITO). Он хорошо справляется со своей задачей, но это хрупкий материал. Его можно сделать гибким, но тогда серьезно страдают его оптические и электронные характеристики».
Интерес к новым гибким материалам проявляет не только потребительская электроника, но и такие высокотехнологичные отрасли, как авиастроение. Активно ведутся разработки электрических авиационных двигателей, работающих на солнечной энергии. Ключевой проблемой является интеграция солнечных панелей в конструкцию летательных аппаратов. Традиционные жесткие панели нарушают аэродинамику, поэтому появление недорогого, гибкого и прозрачного оптоэлектронного материала откроет путь к созданию обшивки крыльев, одновременно генерирующей энергию.
Инновационная двухслойная архитектура
В поисках решения ученые обратились к углеродным нанотрубкам — микроскопическим объектам, представляющим собой свернутые в трубку листы графена. Их толщина исчисляется нанометрами, а длина может достигать десятков микрон.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Переплетение таких полых нитей позволяет создавать ультратонкие материалы, по структуре напоминающие вату. Однако здесь исследователи столкнулись с дилеммой: чрезмерно тонкий слой нанотрубок обладает низкой электропроводностью, а толстый слой, хотя и проводит ток лучше, чем ITO, становится совершенно непрозрачным, черным.Чтобы преодолеть это фундаментальное ограничение, российские и финские специалисты предложили принципиально новую концепцию — двухслойный композитный материал.
«Мы создали толстые пленки из нанотрубок с низкой светопропускаемостью и смоделировали их поведение при формировании в них множества микроскопических отверстий. Расчеты показали, что такая перфорированная структура, где площадь отверстий превышает площадь материала, становится оптически прозрачной, сохраняя при этом высокую электропроводность. Но для дисплеев нужна сплошная поверхность. Поэтому мы добавили сверху второй, ультратонкий сплошной слой, который практически не снизил общую прозрачность», — рассказывает о принципе работы Иван Мухин.
Моделирование подтвердило, что такой двухслойный «сэндвич» обладает уникальным сочетанием свойств: он прозрачен, эффективно проводит электрический ток по всей своей площади, а также сохраняет гибкость. Это означает, что в дисплеях свет будет равномерно излучаться из любой точки экрана, а в солнечных панелях фотоны смогут захватываться по всей поверхности устройства.
«Согласно нашим расчетам, этот материал превзойдет по совокупности параметров традиционный оксид индия-олова», — подчеркивает Иван Мухин.
От теоретической модели к лабораторному образцу
Чтобы проверить гипотезу на практике, исследователи из Сколтеха и Университета Аалто синтезировали пленки углеродных нанотрубок различной толщины. Эти образцы были отправлены в Санкт-Петербург, где специалисты Академического университета преобразовали сплошные пленки в тончайшую сетку с регулярной структурой.
Финальный и самый ответственный этап — тестирование готового двухслойного материала — провели ученые Университета ИТМО и Академического университета. Эксперименты блестяще подтвердили теоретические предсказания.
«Результаты экспериментальных измерений совпали с данными моделирования с точностью до 5%. Таким образом, мы получили реальный, работающий прототип гибкого и прозрачного электрода для оптоэлектронных устройств нового поколения», — резюмирует Иван Мухин.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ученые разрабатывают прозрачный высокопроизводительный материал для гибких дисплеев и солнечных панелей.