углеродные нанотрубки

Прозрачные электропроводящие пленки (TCF) широко используются в производстве, в основном, как компонент сенсорных жидкокристаллических дисплеев. Сейчас это пленки из оксида олова-индия (ITO), но они являются хрупкими и довольно дорогими. Углеродные нанотрубки, обладающие механической прочностью и отличной гибкостью, рассматриваются как реальная альтернатива ITO. Перед учеными стоит задача по созданию экономически выгодных методов синтеза нанотрубок. В настоящее время однослойные нанотрубки уже синтезированы непосредственно на кварцевой подложке в виде равномерного слоя, что дает возможность для их практического использования. Но показатели пленок пока не удовлетворяют промышленным требованиям. К тому же однослойные нанотрубки (SWCNT) дороже, чем многослойные (MWCNT).

В 2002 году была разработан "сухой" способ получения углеродных пленок непосредственно из "сверхупорядоченных массивов" нанотрубок (SACNT), которые представляют собой плотные и равномерные слои MWCNT. Массив площадью 0.01 м² может быть вытянут в пленку площадью до 10 м². При этом пленка будет содержать крайне незначительное число дефектов. Стоит отметить, что "сухой" способ производства более выгоден по сравнению с "мокрым", т.к. не требуется большого количества вредного растворителя и не ведет к значительным потерям вещества при очистке и осаждении.

Массивы SACNT выращивались на больших 8-ми дюймовых пластинах. После чего вытягиваются непосредственно на подложке с защитным покрытием, сохраняющим их от прилипания и повреждения. С растяжением проводимость пленок падает, но зато увеличивается их прозрачность. Из массива можно вытянуть пленку шириной 8 см и длиной более 60 м (при толщине массива 250 мкм - сопротивление около 1 кОм*м при растяжении до 60% - сопротивление 1,6 кОм*м и прозрачность 86,5%). Теоретически процесс можно сделать непрерывным с изготовлением рулонов любой длины. При дальнейшем растяжении в пленке начинают возникать дефекты и она теряет свои свойства. Подобные свойства не идут ни в какое сравнение с ITO пленками, которые легко ломаются и быстро теряют свои свойства при деформации. Правда, сопротивление высококачественных ITOпленок варьируется от 10 до 100 Ом*м при прозрачности 85%.

Пока полученные пленки УНТ не удовлетворяют промышленным требованиям по проводимости и прозрачности, однако они являются гораздо более гибкими, чем ITO пленки. Для дальнейшего использования пленок в составе TCF требуется их улучшение. Например, для сенсорного экрана требуется прозрачность 85% при сопротивлении 500 Ом*м.

Существуют два метода улучшения прозрачности пленок: обрезание исходных массивов и обрезание готовых пленок. Чем меньше высота массива, тем больше прозрачность пленки (при плазменной обрезке массива со 164 мкм до 74 мкм его прозрачность растет с 78 до 85%, а сопротивление с 1 кОм*м до 1,9 кОм*м), однако если его высота меньше 100 мкм, пленка может быть дефектной. Второй метод предполагает лазерную корректировку готовой пленки. К его недостаткам стоит отнести окисление поверхностного слоя пленки. Однако лучшим вариантом, видимо, будет комбинация этих методов.

Для улучшения проводимости использовалось напыление металла. Однако хорошие проводники плохо наносятся на нанотрубки, поэтому использовали тончайшую подложку из никеля или титана, на которую наносили проводящий слой. Наилучшие результаты показала система Ni/Au (2нм Ni - 10 нм Au): для массивов толщиной 130, 194 и 257 мкм сопротивление уменьшилось на 97,4%, 95,6% и 93,4% соответственно, а прозрачность стала равна 76,3%, 66,9% и 56,5%.

Уже выпущен первый прототип устройства - 2,8-ми дюймовая сенсорная панель SACNT. Верхний и нижний слой состоят из проводящих пленок, а между ними слой изолятора - полиметилметакрилата. При соприкосновение двух слоев происходит замыкание цепи, а по ее сопротивлению в результате можно однозначно определить точку нажатия. Единственной сложною является доступность исходных массивов углеродных нанотрубок. Но при дальнейшем развитии технологий эта проблема будет устранена, а производство таких пленок станет массовым.