Elektronica van de volgende generatie: de mogelijkheden uitbreiden met zilveren nanodraden

De technologieën op nanoschaal van vandaag zijn geavanceerd genoeg om te worden toegepast in een eindeloos aantal nuttige apparaten, van sensoren in apparaten met aanraakschermen en huishoudelijke apparaten tot draagbare biosensoren die de chemische niveaus in ons bloed, spierbewegingen, ademhaling en hartslag kunnen bewaken. Daarnaast zijn er technologieën voor precisie-apparaten zoals scanning probe microscopen met hoge resolutie die het mogelijk maken om oppervlakken niet alleen op atomair niveau te visualiseren, maar zelfs de individuele atomen zelf.

Deze apparaten maken typisch gebruik van elektroden die zijn gemaakt door dunne coatings van geleidende materialen op glas of keramische substraten aan te brengen. Deze typen elektroden zijn echter kwetsbaar en missen flexibiliteit, en ze kunnen gepaard gaan met dure en beperkte materialen en moeilijke fabricagemethoden.

Een alternatief materiaal dat veel aandacht krijgt, zijn zilveren nanodraden; deze draden hebben zeer kleine diameters (zo klein als een duizendste van een millimeter) en kunnen worden gefabriceerd in verschillende dwarsdoorsnedevormen en configuraties. Ze zijn ook onovertroffen in geleidbaarheid, hebben een superieure mechanische sterkte en flexibiliteit en kunnen gemakkelijk worden gesynthetiseerd met gemakkelijk verkrijgbare materialen. Deze kwaliteiten en de veelzijdigheid van zilveren nanodraden maken ze bijzonder aantrekkelijk, niet alleen voor veel veelgebruikte elektronische apparaten, maar ook voor innovaties in flexibele elektronica, zoals flexibele mobiele telefoons en tablets, goedkope zonnepanelen of zonnecellen die op behang of kleding kunnen worden gefabriceerd.

Zilveren nanodraden zijn met succes gebruikt als elektroden in verschillende elektronische apparaten; hun commercieel gebruik is echter belemmerd door hun kwetsbaarheid voor de corrosieve effecten van hitte, licht en vocht. Dergelijke corrosie kan resulteren in putjes en gaten of “etsen” op het oppervlak van de nanodraad, wat een negatieve invloed heeft op hun elektrische, mechanische en optische eigenschappen. Etsen kan zeer schadelijk zijn voor de prestaties van op zilveren nanodraad gebaseerde apparaten en kan zelfs leiden tot falen.

Eerdere pogingen zijn gedaan om beschermende schalen rond zilveren nanodraden te fabriceren. In één poging werd een dun polymeer op een substraat afgezet als een nanodraadbarrière. Er zijn ook beschermende dunne metalen of koolstofschillen op de oppervlakken van de nanodraden gegroeid. Dit verhoogde de levensduur en prestaties van zilveren nanodraden die als transparante elektroden werden gebruikt; de schaaloppervlakken misten echter de uniforme gladheid die nodig is voor meer nauwkeurige apparaten.

Onderzoekers van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) hebben met succes een methode ontwikkeld voor het vervaardigen van ultradunne schelpen rond zilveren nanodraden, wat resulteert in superieure stabiliteit en effectiviteit.

Ze kozen eerst goud voor hun beschermende schelpen vanwege de weerstand tegen hitte, licht en vocht. De structuur is ook vergelijkbaar met die van zilver, wat de groei van ultradunne goudlagen op de zilveren nanodraadoppervlakken vergemakkelijkt. Er is echter een waarschuwing: er kunnen geladen goudatomen bestaan ​​die kunnen reageren met het zilver zelf en gaten of poriën kunnen vormen, wat duidelijk problematisch zou zijn. Het TIBI-team loste dit probleem op door een chemische stof te kiezen om te complexeren met de geladen goudatomen; dit onderdrukt effectief porievorming.

Het team ontwikkelde vervolgens een op kamertemperatuur gebaseerde fabricagemethode die een eenvoudige installatie en eenvoudige, schaalbare stappen bood. Bovendien maakte hun methode de aanpassing van reactietijden en mengsels mogelijk om de dikte van de afgezette goudlagen te regelen.

Ze synthetiseerden zilveren nanodraden door oplossingen te combineren en de nanodraden te laten groeien en kristalliseren. De goudoplossing, die experimenteel geoptimaliseerde chemicaliën bevatte om etsen te elimineren en om te helpen bij de gladde afzetting van goudlagen, werd vervolgens geïntroduceerd. Ze optimaliseerden ook de experimentele omstandigheden om de chemische stabiliteit van de nanodraden te verbeteren.

De resulterende zilveren nanodraden hadden goed gedefinieerde, drie nanometer dikke gouden coatings, met gladde oppervlakken, vrij van etsen. Ze vertoonden ook een stabiliserende zilver-gouden interface, wat absoluut noodzakelijk is om de optische en elektrische eigenschappen van de nanodraden te behouden.

“We hebben elke mogelijke uitdaging overwogen bij het ontwerpen van een effectieve methode om de levensduur van op zilveren nanodraad gebaseerde apparaten te verlengen”, zegt Yangzhi Zhu, Ph.D., eerste auteur van het project. “Onze gegevens laten duidelijk zien dat we in staat waren om effectieve oplossingen voor deze uitdagingen te creëren.”

Het TIBI-team voerde vervolgens experimenten uit om de duurzaamheid van de met goud beklede en onbehandelde zilveren nanodraden te evalueren. Wanneer nanodraden werden blootgesteld aan lucht; de ongecoate zilveren nanodraden raakten na tien dagen zwaar beschadigd en verslechterd. De met goud beklede nanodraden bleven zelfs na zes maanden onveranderd. Vergelijkbare resultaten werden verkregen nadat beide nanodraden waren blootgesteld aan de schadelijke effecten van waterstofperoxide en natrium-gebufferde zoutoplossing.

Bij prestatietests van flexibele transparante elektroden werden beide nanodraden blootgesteld aan hoge hitte en vochtigheid; de niet-gecoate nanodraden begaven het na 12 dagen, maar de prestaties van de met goud beklede zilveren nanodraden waren vergelijkbaar met die van de best presterende commerciële nanodraden.

In prestatietests op optische apparaten vertoonden de met goud beklede nanodraden hoge prestaties na 21 dagen. Daarentegen vertoonden de onbehandelde zilveren nanodraden binnen een week een verminderde efficiëntie en faalden uiteindelijk. Verder bleek uit de tests dat er geen extra achtergrondgeluid werd geïntroduceerd door de gouden schelpen.

Binnen hetzelfde tijdsbestek vertoonden de met goud beklede nanodraden superieure resultaten wanneer ze werden getest in hoge resolutie scanning probe microscopie, wat onwrikbare beelden van hoge kwaliteit opleverde. Daarentegen nam de beeldkwaliteit van de onbehandelde nanodraden geleidelijk af totdat het apparaat defect raakte. Dit zijn opmerkelijke prestaties, aangezien dit type microscopie een hoge mate van mechanische stress met zich meebrengt en de stabiliteit van nanodraad cruciaal is.

“Het gebruik van zilveren nanodraden in talloze apparaten heeft veel voordelen, dus het vermogen om hun prestaties en duurzaamheid te verbeteren heeft een grote impact”, zegt Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur en CEO van TIBI. “De methoden die we hebben bedacht om dat te bereiken, illustreren de kwaliteit van het werk van ons instituut.”

Details van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nano-onderzoek.