با فناوری نانو؛
طلا تا مرز اتم نازک شد حالا هم رسانا است و هم خم می شود!
به گزارش کارت خوب، 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 کارت خوب به نقل از ستاد نانو، این فناوری که در مقیاس ویفر ۶ اینچی نیز 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 پخش شده، از ترکیب یک قالب مسی فوق صاف و یک فرآیند انتقال مبتنی بر پلیمر بهره می گیرد. محققان با این شیوه توانسته اند فیلم طلای پیوسته ای با ضخامت تنها ۱.۵ نانومتر تولید کنند و در آزمایشی جداگانه نیز ساخت این فیلم را در مقیاس ویفر ۶ اینچی نشان دهند.
اهمیت این موفقیت در آن است 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 غائی مورد استفاده قرار می گیرد. این خاصیت می تواند آزادی عمل بیشتری برای طراحی ادوات منعطف و زیستی فراهم آورد.
مس پیشتر نیز 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 خیلی 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 به وجود می آورد که سطح تماس آن با سیلیکون خیلی صاف است. استفاده از چنین سطحی به طلا اجازه می دهد قبل از آنکه ناهمواری های سطحی سبب گسستگی لایه شوند، به ضخامت های خیلی 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 فرآیند 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 بسترهای موردنظر قرار گیرد.
این قالب مسی در واقع از دو مسیر به تشکیل فیلم پیوسته کمک می نماید. از یک سو، برهم کنش قوی طلا و مس موجب می شود اتم های طلا تمایل بیشتری به رشد لایه به لایه داشته باشند و کمتر بشکل توده ها و جزایر سه بعدی تجمع کنند. از طرف دیگر، صافی خیلی 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 نیز این تفاوت را در مقیاس اتمی تأیید کردند و تصاویر میکروسکوپی نشان دادند که طلا روی مس آماده شده به شکل پیوسته باقی می ماند، در صورتیکه روی برخی سطوح دیگر بشکل 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 فیلمها نیز بازهم خاصیت های یک فلز پیوسته را نشان می داد، نه رفتاری مشابه مجموعه ای از نانوذرات جدا از هم.
انعطاف پذیری فیلم نیز در آزمایش ها مورد بررسی قرار گرفت. یک نمونه منعطف بعد از ۱۰۰۰ چرخه خم شدن، تقریبا همان مقاومت الکتریکی اولیه خویش را حفظ کرد. این نتیجه نشان میدهد که رسانای طلایی منتقل شده می تواند در مقابل تغییر شکل های مکانیکی مکرر مقاومت کند؛ خاصیت 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 بدین سبب نمی توان بر مبنای آن برتری کلی طلا نسبت به ITO را نتیجه گرفت.
در آزمایشی دیگر، فیلم طلا بشکل 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 فرآیند انتقال در ابعاد بزرگ، الگودهی و یکپارچه سازی با ادوات واقعی را نیز پشت سر بگذارد.
ویژگی دیگری که مورد توجه محققان قرار گرفت، رفتار حرارتی فیلم بود. بااینکه این فیلمها در محدوده مرئی بازهم شفاف باقی می ماندند، می توانستند میزان تابش حرارتی دریافت شده توسط دوربین فروسرخ را کاهش دهند. در دمای واقعی 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 خاصیت 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. بااینکه 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 به صورت مستقل تفکیک و اثبات نشده و نتایج فعلی نیز 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 بازهم 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 غائی 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.
بطور خلاصه، به گزارش کارت خوب به نقل از ستاد نانو، این فناوری که در مقیاس ویفر ۶ اینچی نیز به نمایش گذاشته شده است، می تواند راه را برای تولید نمایشگرهای انعطاف پذیر، سیستم های مدیریت حرارتی و رابط های زیستی منطبق با پوست هموار کند. 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 بشکل توده ها و جزایر سه بعدی تجمع کنند. البته این آزمایش، بازده کلی یا طول عمر کاری را بررسی نکرده است و به این دلیل نمی توان مبنی بر آن برتری کلی طلا نسبت به ITO را نتیجه گرفت.
منبع: كارت خوب
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب