Een vervelende vervuilende stof blijkt het ontbrekende ingrediënt te zijn voor koolstofnanobuisfilms voor touchscreens en zonnecellen

Wetenschappers van Skoltech hebben een snelle, schaalbare, afvalloze chemische behandelingstechniek voorgesteld om films van koolstofnanobuisjes te voorzien van alle juiste eigenschappen om de prestaties van zonnepanelen, touchscreens en meer te verbeteren.

Gerapporteerd in Koolstoflaten de experimenten van het team zien dat blootstelling aan zelfs kleine hoeveelheden stikstofdioxidegas bij verhoogde temperaturen koolstofnanobuisfilms modificeert op een manier die zowel de transparantie als de elektrische geleidbaarheid bevordert, en deze modificatie is bestand tegen degradatie.

Koolstofnanobuisfilms geleiden elektriciteit en laten licht door, waardoor ze een uitstekend materiaal zijn voor transparante elektroden. Deze zijn essentieel voor zonnecellen en touchscreens, die vroeger afhankelijk waren van de broze en niet-duurzame indiumtinoxidefilms en andere conventionele materialen.

Tegenwoordig zorgen koolstofnanobuisjes gedoteerd met extra atomen van andere elementen voor een betere geleidbaarheid en transparantie, evenals buigvermogen voor flexibele apparaten.

“Doping is hier heel cruciaal. Helaas staat de huidige technologie de vervaardiging van koolstofnanobuisjes niet toe die in hun pure vorm de noodzakelijke eigenschappen zouden hebben. Dat gezegd hebbende, is er een reeks dopingmiddelen die de eigenschappen van nanobuisjes veranderen. Afhankelijk van welke chemische stof Als je de film gebruikt, kun je de film ofwel zeer geleidend ofwel transparant of stabiel maken. Met een beetje geluk kun je twee van deze drie eigenschappen hebben. We zijn erin geslaagd om ze alle drie te combineren”, zegt hoofdonderzoeker professor Albert Nasibulin van het Photonics Center.

Een veelgebruikt doteringsmiddel is bijvoorbeeld waterstoftetrachloorauraat. Het biedt topprestaties op het gebied van de elektrische geleidbaarheid van nanobuisjes, samen met een redelijk goede transparantie. Deze wijziging is echter nogal onstabiel, waardoor het effect snel verdwijnt.

Koperbromide en andere metaalhalogeniden bieden een behoorlijke combinatie van stabiliteit en geleidbaarheid, maar de transparantie is slecht. Soortgelijke afwegingen zijn van toepassing op elke chemische stof die tegenwoordig voor de doping van koolstofnanobuisjes wordt gebruikt.

“We hebben een oplossing gevonden die in alle opzichten goed werkt. Ons dopingmiddel is een gas dat stikstofdioxide wordt genoemd en ook wel ‘vossenstaart’ wordt genoemd vanwege zijn feloranje kleur. In feite waren we bezig met het onderzoeken van een andere, tamelijk onstabiele wijziging die dit gas veroorzaakt. wanneer nanobuisjes eraan worden blootgesteld bij veel lagere temperaturen”, voegde co-auteur assistent-professor Dmitry Krasnikov eraan toe.

“Soort toevallig kwamen we een ander temperatuurbereik tegen waarbij de resulterende wijzigingen zeer stabiel zijn. Een bijkomend voordeel van het werken met een middel in de gasfase is dat het de dopingtechnologie snel, schaalbaar en afvalloos maakt. Stikstof Koolstofdioxide zal makkelijk te integreren zijn in bestaande technologische processen, en makkelijk uit de reactor te verwijderen zijn, omdat het vloeibaar wordt zodra het afgekoeld is tot 20 graden Celsius.”

Volgens de studie wordt het effect van de nieuwe doping in de loop van een jaar slechts 1,5 keer minder in korte tijd, gevolgd door een stabiel plateau, vergeleken met drie keer uitrekken over een langere periode voor de huidige kampioen tetrachloorauraat.

Het effect van het nieuwe middel op de geleidbaarheid is vergelijkbaar met dat van tetrachloorauraat en beter dan dat van welk ander middel dan ook. De transparantie is ook goed: omdat het een gas is, lijkt stikstofdioxide meerlaagse adsorptie aan films van koolstofnanobuisjes te vermijden, waardoor een uitsluitend moleculair dikke laag ontstaat. In tegenstelling tot vaste stoffen, waaronder tetrachloorauraat, bezinken er geen extra deeltjes bovenop de eerder afgezette deeltjes.

Het team hoopt dat transparante op koolstofnanobuisjes gebaseerde elektroden, gedoteerd met stikstofdioxide, binnenkort hun weg zullen vinden naar fotovoltaïsche elementen, touchscreens en andere interactieve oppervlakken in huizen, auto’s of openbare ruimtes. Dergelijke elektroden zouden ook biologisch compatibel zijn, zodat ze toepassing zouden kunnen vinden in implanteerbare apparaten.

Optische componenten, zoals de varifocale Fresnel-zoneplaat voor het benutten van terahertzstraling in 6G-communicatie en röntgenvrije medische beeldvorming en beveiligingsscans, zouden ook profiteren van de verbeterde eigenschappen van koolstofnanobuisfilms, bereikt met het nieuwe doteringsmiddel.