Formation directe de câblage de nanotubes de carbone avec résistance électrique contrôlée sur des films plastiques

Mar 24, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2254 (2023) Citer cet article

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Nous avons développé une méthode simple pour fabriquer un câblage de nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT) sur un film plastique à température ambiante et sous pression atmosphérique. En irradiant un film mince MWNT recouvert d'un film de polypropylène (PP) avec un laser, un câblage conducteur constitué d'un composite de MWNT et de PP peut être fabriqué directement sur le film PP. La résistance du câblage MWNT fabriqué à l'aide de cette méthode variait de 0,789 à 114 kΩ/cm. En modifiant la vitesse de balayage du laser, nous pourrions fabriquer diverses régions avec différentes résistances par unité de longueur, même au sein d'un seul câblage. Le mécanisme de formation du câblage MWNT à résistance accordable a été discuté à partir de résultats expérimentaux, tels que l'observation microscopique de la structure par microscopie électronique à balayage en coupe et imagerie Raman microscopique, et de résultats de simulation, tels que la conduction thermique dans le film lors du chauffage laser local. Les résultats suggèrent que le câblage MWNT a été formé par diffusion de PP dans MWNT à haute température. Nous avons également démontré que les MWNT excédentaires non utilisés pour le câblage pouvaient être récupérés et utilisés pour fabriquer de nouveaux câblages. Cette méthode pourrait être utilisée pour réaliser des dispositifs entièrement en carbone tels que des capteurs flexibles légers, des dispositifs de conversion d'énergie et des dispositifs de stockage d'énergie.

Les dispositifs flexibles entièrement en carbone ont attiré l'attention en tant que dispositifs post-silicium en raison de leur flexibilité, de leur légèreté et de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques1,2,3. Le nanotube de carbone (CNT) est l’un des éléments constitutifs les plus prometteurs pour les dispositifs flexibles entièrement en carbone en raison de ses propriétés physiques et chimiques fascinantes4. Récemment, en plus des dispositifs CNT sur substrats rigides5,6, des dispositifs CNT sur substrats flexibles tels que des films plastiques ont été largement signalés7,8,9,10,11. Les dispositifs flexibles à base de NTC sont généralement fabriqués selon les étapes suivantes, car les substrats flexibles typiques ne sont pas disponibles pour le processus de croissance à haute température12. Premièrement, les NTC sont cultivés sur des substrats rigides par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ensuite, les NTC sont modelés par des processus de lithographie. Enfin, les câblages CNT sont transférés sur un substrat flexible13. Cette méthode présente deux problèmes : l’un d’eux est que des processus séquentiels comprenant le processus à haute température et le processus en salle blanche sont nécessaires. L'autre est que, puisque la résistance électrique du câblage CNT transféré est déterminée par la résistance des films CNT avant le transfert, pour produire un câblage CNT de différentes valeurs de résistance, des processus de transfert répétés sont nécessaires. Par conséquent, il est nécessaire de développer un processus simple permettant de former des câblages CNT avec une résistance contrôlée directement sur des substrats en plastique.

Deux méthodes principales pour fabriquer directement des câblages de NTC sur des substrats en plastique, appelées méthode de transfert direct induit par laser (LIFT) 14 et méthode de fusion thermique (TF) 15,16,17,18, ont été rapportées. La méthode LIFT est une technologie dans laquelle un matériau irradié par un laser est transféré sur un substrat cible à proximité, permettant ainsi une écriture directe du câblage CNT indépendamment des matériaux du substrat19. Les méthodes LIFT peuvent transférer des NTC sur divers substrats tels que l'aluminium, le polyimide, le verre et le quartz par irradiation laser à travers des masques à motifs20,21,22. Dans la méthode LIFT, contrôler la résistance des câblages CNT est difficile car il est nécessaire de préparer du matériel donneur avec une résistance différente. De plus, la méthode LIFT nécessite généralement des lasers pulsés coûteux. Dans les méthodes TF, les NTC ont été mélangés à l'avance avec des polymères, notamment du polypropylène (PP), du polycarbonate (PC) et de l'époxy15,16,17,18. Le composite a ensuite été chauffé localement à l’aide d’un laser pour vaporiser sélectivement les polymères. En conséquence, un câblage CNT a été formé. La méthode TF peut contrôler la résistance du câblage CNT sur un substrat flexible en modifiant les conditions du laser. Par exemple, la résistance du câblage des CNT variait entre 0,021 et 464 kΩ/cm selon les conditions du laser17. Cependant, la méthode TF est problématique car les NTC doivent être mélangés au préalable avec le polymère, ce qui nécessite une grande quantité de NTC pour fabriquer les câblages. Cela implique que la plupart des NTC du composite ne sont pas utilisés. La méthode TF nécessite un laser haute puissance pour ablation du polymère.