با فناوری نانو؛
طلا تا مرز اتم نازک شد حالا هم رسانا است و هم خم می شود!
بلک بلاگ: محققان با استفاده از یک بستر مسی فوق صاف و روشی تازه برای انتقال فیلم، موفق به ساخت لایه ای پیوسته از طلا با ضخامت تنها 1.5 نانومتر شده اند.
به گزارش بلک بلاگ به نقل از ستاد نانو، این فناوری که در مقیاس ویفر ۶ اینچی هم به معرض نمایش گذاشته شده است، می تواند راه را برای تولید نمایشگرهای منعطف، سیستم های مدیریت حرارتی و رابط های زیستی منطبق با پوست هموار کند.
این مطالعه که در مجله Advanced Science انتشار یافته، از ترکیب یک قالب مسی فوق صاف و یک پروسه انتقال مبتنی بر پلیمر بهره می گیرد. محققان با این تکنیک توانسته اند فیلم طلای پیوسته ای با ضخامت تنها ۱.۵ نانومتر تولید کنند و در آزمایشی جداگانه هم ساخت این فیلم را در مقیاس ویفر ۶ اینچی نشان دهند.
اهمیت این موفقیت در آنست که فیلم طلا بعد از رشد روی بستر مسی، می تواند از آن جدا شده و به سطحی دیگر منتقل شود. به این ترتیب، سطحی که برای رشد مناسب فیلم انتخاب شده است، الزاماً همان سطحی نیست که در محصول نهائی مورد استفاده قرار می گیرد. این خصوصیت می تواند آزادی عمل بیشتری برای طراحی ادوات منعطف و زیستی فراهم آورد.
مس قبل تر هم بعنوان بستری مناسب برای رشد لایه های فوق نازک طلا شناخته شده بود، اما زبری سطح آن یک محدودیت جدی ایجاد می کرد. در فرایندهای قبلی، مس تبخیرشده به سبب ساختار دانه ای خود دارای ناهمواری هایی در مقیاس نانو بود. از آنجائیکه فیلم طلای فوق نازک از توپوگرافی سطح زیرین پیروی می کند، این ناهمواری ها می توانستند پیوستگی لایه را در ضخامت های بسیار پایین مختل کنند.
پژوهشگران برای حل این مشکل، ابتدا مس را روی سیلیکون تک بلوری رشد دادند و سپس آنرا از سطح سیلیکون جدا کردند. این فرآیند، یک فویل مسی مستقل بوجود می آورد که سطح تماس آن با سیلیکون بسیار صاف است. استفاده از چنین سطحی به طلا اجازه می دهد قبل از آن که ناهمواری های سطحی باعث گسستگی لایه شوند، به ضخامت های بسیار پایین برسد.
در مرحله بعد، طلا روی این قالب مسی رشد داده شد و یک لایه پلیمری برای پشتیبانی از فیلم به آن اضافه گردید. سپس مس زیرین حل شد و فیلم طلا آزاد شد. این پروسه دو نیاز متضاد را از یکدیگر جدا می کند: طلا می تواند روی سطحی بهینه برای رشد یکپارچه تشکیل گردد، اما بعد از تولید می تواند روی شیشه، پلاستیک، الاستومر یا سایر زمینه های موردنظر قرار گیرد.
این قالب مسی در حقیقت از دو مسیر به تشکیل فیلم پیوسته کمک می نماید. از یک سو، برهم کنش قوی طلا و مس سبب می شود اتم های طلا تمایل بیشتری به رشد لایه به لایه داشته باشند و کمتر به صورت توده ها و جزایر سه بعدی تجمع کنند. از طرفی، صافی بسیار بالای سطح مس مانع از آن می شود که پستی وبلندی های نانومقیاس، پیوستگی فیلمی با ضخامت تنها چند نانومتر را مختل کنند. شبیه سازی های دینامیک مولکولی هم این تفاوت را در مقیاس اتمی تأیید کردند و تصاویر میکروسکوپی نشان دادند که طلا روی مس آماده شده بصورت پیوسته باقی می ماند، در صورتیکه روی برخی سطوح دیگر به صورت شبکه ها یا جزایر جدا از هم تشکیل می شود.
یکی از نتایج قابل توجه این مطالعه، حفظ پیوستگی فیلم بعد از انتقال است. نازک ترین فیلم ساخته شده توانست حداکثر عبوردهی نوری ۸۶.۶ درصد را نشان دهد. در مقابل، نمونه های ضخیم تر مقاومت سطحی پایینی داشتند که نشان دهنده توانایی مناسب آنها برای عبور جریان الکتریکی است. پاسخ نوری این فیلم ها هم همچنان خصوصیت های یک فلز پیوسته را نشان می داد، نه رفتاری مشابه مجموعه ای از نانوذرات جدا از هم.
انعطاف پذیری فیلم هم در آزمایش ها مورد بررسی قرار گرفت. یک نمونه منعطف بعد از ۱۰۰۰ چرخه خم شدن، حدودا همان مقاومت الکتریکی اولیه خودرا حفظ کرد. این نتیجه نشان داده است که رسانای طلایی منتقل شده می تواند در مقابل تغییر شکل های مکانیکی مکرر مقاومت کند؛ خصوصیت ای که برای فناوری های پوشیدنی و ادوات منعطف اهمیت زیادی دارد.
پژوهشگران برای نشان دادن ظرفیتهای این فناوری، آنرا در چند کاربرد متفاوت آزمایش کردند. در دیودهای نورگسیل آلی یا OLED، فیلم طلای فوق نازک بعنوان آند شفاف مورد استفاده قرار گرفت. در ولتاژ اعمالی یکسان، نمونه هایی که از الکترود طلایی استفاده می کردند، در آزمایش های گزارش شده روشنایی بیشتری نسبت به نمونه های مجهز به اکسید قلع ایندیوم تجاری یا ITO داشتند. محققان این عملکرد را به تزریق مناسب تر بار الکتریکی و صافی بالای سطح الکترود نسبت دادند. البته این آزمایش، بازده کلی یا طول عمر کاری را بررسی نکرده است و ازاین رو نمی توان برمبنای آن برتری کلی طلا نسبت به ITO را نتیجه گرفت.
در آزمایشی دیگر، فیلم طلا به صورت یک آرایه OLED منعطف و قابل آدرس دهی الگودهی شد. این آزمایش نشان داد که فناوری پیشنهادی تنها در یک نمونه ساده و بدون ساختار کاربرد ندارد، بلکه می تواند پروسه انتقال در ابعاد بزرگ، الگودهی و یکپارچه سازی با ادوات حقیقی را هم پشت سر بگذارد.
ویژگی دیگری که مورد توجه محققان قرار گرفت، رفتار حرارتی فیلم بود. باآنکه این فیلم ها در محدوده مرئی همچنان شفاف باقی می ماندند، می توانستند میزان تابش حرارتی دریافت شده توسط دوربین فروسرخ را کاهش دهند. در دمای حقیقی یکسان، ماده صاف تر توانست دمای ظاهری ثبت شده را در مقایسه با فیلم های طلای زبرتر قبلی گروه حدود ۳۰ درصد کم کند. این خصوصیت می تواند در سیستم های کنترل و مدیریت حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
اما شاید یکی از جالب ترین کاربردهای آزمایش شده، استفاده از این فیلم در تماس مستقیم با پوست باشد. محققان الکترودهای طلایی را مستقیماً روی ساعد منتقل کردند و از آنها برای ثبت فعالیت قلب و عضلات استفاده کردند. در اندازه گیری های گزارش شده، این الکترودها نسبت به الکترودهای تجاری نقره/کلرید نقره، نسبت سیگنال به نویز بالاتری نشان دادند. باآنکه امپدانس سطح مشترک پوست و الکترود طلا بیشتر بود، محققان احتمال می دهند انطباق بهتر فیلم فوق نازک با سطح پوست به بهبود کیفیت سیگنال کمک کرده باشد.
با این حال، محققان تاکید می کنند که سازوکار دقیق این بهبود هنوز بطور مستقل تفکیک و اثبات نشده و نتایج فعلی هم برتری بالینی این الکترودها را نشان نمی دهد. آن چه این آزمایش اثبات می کند، امکان ثبت مؤثر سیگنال های الکتروفیزیولوژیک با بهره گیری از فیلم طلای منتقل شده است.
با وجود این پیشرفت، فناوری هنوز به تولید یک تک لایه طلای قابل انتقال در مقیاس اتمی نرسیده و فیلم های تولیدشده همچنان ساختاری چندبلوری دارند. استفاده از رابط های پایدارتر برای پشتیبانی از فیلم می تواند امکان کاهش بیشتر ضخامت را فراهم آورد. همچنین، کنترل بهتر قالب های مسی ممکنست به کاهش پراکندگی در مرز دانه ها و بهبود عملکرد الکتریکی منجر شود.
با این حال، پیام اصلی این تحقیق روشن است: سطحی که امکان تولید یک فلز فوق نازک را فراهم می آورد، دیگر الزاماً نباید محل استفاده نهائی آن باشد. همین جداسازی میان مرحله رشد و مرحله کاربرد، می تواند یکی از موانع مهم توسعه فلزات فوق نازک برای نسل آینده تجهیزات منعطف، نمایشگرها، سیستم های حرارتی و رابط های زیستی را برطرف کند.
منبع: blackblog.ir
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب