Snelle, grootschalige nanofilmproductie mogelijk met nieuwe techniek

Een Japans onderzoeksteam onder leiding van professor Minoru Osada van het Institute for Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) aan de Universiteit van Nagoya heeft een methode ontwikkeld voor de snelle, grootschalige depositie van tweedimensionale (2D) materialen, waaronder oxiden, grafeenoxide en boornitride. Deze innovatieve techniek, bekend als de “spontane geïntegreerde overdrachtsmethode”, werd bij toeval ontdekt; het belooft echter een revolutie teweeg te brengen in de productie van nanosheets.

De onderzoeksresultaten waren gepubliceerd in het dagboek Klein.

Nanosheets worden gekenmerkt door een dikte van slechts enkele atomen. Vanwege hun grote oppervlakte ten opzichte van hun volume, vertonen deze sheets uitzonderlijke elektronische, optische, mechanische en chemische eigenschappen. Nanosheets kunnen mogelijk een revolutie teweegbrengen in moderne elektronica en materiaalkunde.

Traditioneel worden methoden zoals chemische dampdepositie (CVD) en de Langmuir-Blodgett (LB)-techniek gebruikt voor nanosheetfabricage. Deze methoden hebben echter aanzienlijke obstakels voor hun gebruik, waaronder moeilijkheden bij het bereiken van uniforme, grootschalige depositie en complicaties in het substraatoverdrachtsproces.

In hun zoektocht naar een effectievere depositietechnologie ontdekte Osada’s team een ​​fascinerend fenomeen, geheel toevallig: wanneer nanosheets nat worden, richten ze zich spontaan uit op het wateroppervlak en vormen ze binnen slechts 15 seconden dichte films. Dit proces, het “spontane verspreidingsfenomeen” genoemd, suggereerde een effectievere depositietechnologie.

De groep testte deze techniek door een nanosheet-oplosmiddelmengsel op het wateroppervlak te laten vallen. Vanwege de hogere vluchtigheid van ethanol vergeleken met water, verdampt het sneller, waardoor er een concentratiegradiënt op het oppervlak ontstaat.

Gebieden met meer ethanolverdamping hebben een hogere oppervlaktespanning dan gebieden met een hogere ethanolconcentratie. Dit verschil in oppervlaktespanning zorgt ervoor dat vloeistof van gebieden met een lagere naar een hogere spanning beweegt, waardoor convectiestromen ontstaan. Deze stromen geleiden de nanosheets in de oplossing, waardoor ze zich in een meer geordende en dichte formatie op het wateroppervlak ordenen.

“De nanosheets richten zich spontaan uit en pakken zich dicht op elkaar, net zoals ijsschotsen samenkomen op het wateroppervlak,” zei Osada. “Deze gecontroleerde uitlijning is essentieel voor het creëren van uniforme en hoogwaardige nanosheetfilms. De resulterende nanosheetfilm kan vervolgens eenvoudig worden overgebracht op een substraat, waardoor het depositieproces in slechts één minuut is voltooid.”

Deze methode vereenvoudigt niet alleen het productieproces, maar opent ook de deur naar het produceren van meerlagige dikke films met 100 tot 200 lagen, iets dat moeilijk te bereiken was met conventionele methoden zoals CVD en LB. Atoomkrachtmicroscopie en confocale lasermicroscopie bevestigden dat de nanosheetfilms die met deze techniek werden geproduceerd, zeer uniform waren, met dicht opeengepakte nanosheets die waren gerangschikt als stukjes van een legpuzzel.

De groep was verrast door de veelzijdigheid van deze techniek en paste deze met succes toe op verschillende nanosheet-samenstellingen en -structuren, waardoor het mogelijk werd om grote oppervlakken films te produceren op substraten van verschillende vormen en materialen.

“De meerlaagse films die met deze technologie worden vervaardigd, vertonen uitstekende eigenschappen als functionele dunne films. Ze kunnen worden gebruikt in transparante geleidende films, diëlektrische films, fotokatalytische films, corrosiepreventiefilms en thermische afschermingsfilms,” aldus Osada.

Naast de technologische voordelen benadrukte Osada ook de milieuvoordelen van deze methode. Hij zei: “We verwachten dat deze technologie een belangrijk milieuvriendelijk eco-proces zal worden, omdat het de productie van dunne films op verschillende substraten mogelijk maakt bij kamertemperatuur en in een waterige oplossing, zonder dat er vacuümfilmvormingsapparatuur of dure gereedschappen nodig zijn, die gebruikelijk zijn bij conventionele dunnefilmprocessen.”