Formação direta de fiação de nanotubos de carbono com resistência elétrica controlada em filmes plásticos

Mar 24, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2254 (2023) Citar este artigo

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Desenvolvemos um método simples para fabricar fiação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNT) em um filme plástico à temperatura ambiente sob pressão atmosférica. Ao irradiar um filme fino de MWNT revestido em um filme de polipropileno (PP) com um laser, uma fiação condutora feita de um composto de MWNT e PP pode ser fabricada diretamente no filme de PP. A resistência da fiação MWNT fabricada usando este método variou de 0,789 a 114 kΩ/cm. Ao alterar a velocidade de varredura do laser, poderíamos fabricar várias regiões com diferentes resistências por unidade de comprimento, mesmo dentro de uma única fiação. O mecanismo de formação da fiação MWNT com resistência ajustável foi discutido a partir de resultados experimentais, como observação estrutural microscópica usando microscopia eletrônica de varredura transversal e imagem Raman microscópica, e resultados de simulação, como condução de calor no filme durante aquecimento local do laser. Os resultados sugerem que a fiação do MWNT foi formada pela difusão do PP no MWNT em alta temperatura. Também demonstramos que o excesso de MWNTs que não foram utilizados para fiação poderia ser recuperado e usado para fabricar novas fiações. Este método poderia ser utilizado para realizar dispositivos totalmente em carbono, como sensores leves e flexíveis, dispositivos de conversão de energia e dispositivos de armazenamento de energia.

Dispositivos flexíveis totalmente em carbono têm atraído a atenção como dispositivos pós-silício devido à sua flexibilidade, peso leve e excelentes propriedades físicas e químicas . O nanotubo de carbono (CNT) é um dos blocos de construção mais promissores para dispositivos flexíveis totalmente em carbono devido às suas intrigantes propriedades físicas e químicas4. Recentemente, além dos dispositivos CNT em substratos rígidos5,6, os dispositivos CNT em substratos flexíveis, como filmes plásticos, têm sido amplamente relatados7,8,9,10,11. Os dispositivos flexíveis baseados em CNT são geralmente fabricados pelas etapas a seguir porque os substratos flexíveis típicos não estão disponíveis para o processo de crescimento em alta temperatura . Primeiro, os CNTs são cultivados em substratos rígidos por deposição química de vapor (CVD). Então, os CNTs são padronizados por processos de litografia. Finalmente, os fios CNT são transferidos para um substrato flexível. Este método tem dois problemas: um deles é que são necessários processos sequenciais, incluindo o processo de alta temperatura e o processo de sala limpa. A outra é que, como a resistência elétrica da fiação CNT transferida é determinada pela resistência dos filmes CNT antes da transferência, para produzir fiação CNT com vários valores de resistência, são necessários processos de transferência repetidos. Portanto, é necessário desenvolver um processo simples que possa formar fiações de CNT com resistência controlada diretamente em substratos plásticos.

Dois métodos principais para fabricar fiações CNT diretamente em substratos plásticos, o chamado método de transferência direta induzida por laser (LIFT) e o método de fusão térmica (TF) , foram relatados. O método LIFT é uma tecnologia na qual um material irradiado por um laser é transferido para um substrato alvo próximo, conseguindo assim a gravação direta da fiação CNT independente dos materiais do substrato . Os métodos LIFT podem transferir CNTs para vários substratos, como alumínio, poliimida, vidro e quartzo, por irradiação laser através de máscaras padronizadas . No método LIFT, o controle da resistência das fiações CNT é difícil porque é necessário preparar material doador com resistências diferentes. Além disso, o método LIFT geralmente requer lasers pulsados ​​caros. Nos métodos TF, os CNTs foram previamente misturados com polímeros incluindo polipropileno (PP), policarbonato (PC) e epóxi . O compósito foi então aquecido localmente usando um laser para vaporizar seletivamente os polímeros. Como resultado, a fiação CNT foi formada. O método TF pode controlar a resistência da fiação CNT em um substrato flexível, alterando as condições do laser. Por exemplo, foi relatado que a resistência da fiação CNT variava de 0,021 a 464 kΩ/cm conforme as condições do laser variavam . No entanto, o método TF é problemático porque os CNTs devem ser previamente misturados com o polímero e, para isso, é necessária uma grande quantidade de CNT para fabricar as fiações. Isto implica que a maioria dos CNTs no compósito não são utilizados. O método TF requer um laser de alta potência para fazer a ablação do polímero.