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

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 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 PP. A resistência da fiação MWNT fabricada usando este método varia de 0,789 a 114 kΩ/cm. Ao alterar a velocidade de varredura do laser, podemos fabricar várias regiões com diferentes resistências por unidade de comprimento, mesmo dentro de uma única fiação. O mecanismo de formação da fiação do 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 o aquecimento local do laser. Os resultados sugerem que a fiação do MWNT foi formada por difusão de PP no MWNT em alta temperatura. Também demonstramos que MWNTs em excesso que não foram usados ​​para fiação podem ser recuperados e usados ​​para fabricar novas fiações. Esse método pode ser utilizado para criar dispositivos totalmente em carbono, como sensores flexíveis leves, dispositivos de conversão de energia e dispositivos de armazenamento de energia.

Os dispositivos flexíveis totalmente em carbono têm atraído a atenção como dispositivos pós-silício devido à sua flexibilidade, peso leve e excelentes propriedades físicas e químicas1,2,3. 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 divulgados7,8,9,10,11. Dispositivos flexíveis baseados em CNT são geralmente fabricados pelas seguintes etapas porque os substratos flexíveis típicos não estão disponíveis para o processo de crescimento em alta temperatura12. Primeiro, os CNTs são cultivados em substratos rígidos por deposição química de vapor (CVD). Em seguida, os CNTs são modelados por processos de litografia. Finalmente, as fiações CNT são transferidas para um substrato flexível13. 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, uma vez que a resistência elétrica da fiação CNT transferida é determinada pela resistência dos filmes CNT antes da transferência, para produzir fiação CNT de 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 sobre substratos plásticos.

Dois métodos principais para fabricar fiações de CNT diretamente em substratos de plástico, o chamado método de transferência direta induzida por laser (LIFT)14 e o método de fusão térmica (TF)15,16,17,18, foram relatados. O método LIFT é uma tecnologia na qual um material irradiado por um laser é transferido para um substrato alvo nas proximidades, obtendo assim a gravação direta da fiação do CNT independente dos materiais do substrato19. Os métodos LIFT podem transferir CNTs para vários substratos, como alumínio, poliimida, vidro e quartzo por irradiação a laser através de máscaras padronizadas20,21,22. No método LIFT, controlar a resistência dos fios de CNT é difícil, pois é necessário preparar material doador com resistência diferente. Além disso, o método LIFT geralmente requer lasers pulsados ​​caros. Nos métodos de TF, os NTCs foram previamente misturados com polímeros, incluindo polipropileno (PP), policarbonato (PC) e epóxi15,16,17,18. 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, a resistência da fiação do CNT varia de 0,021 a 464 kΩ/cm conforme as condições do laser variam17. 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. Isso implica que a maioria dos CNTs no compósito não é utilizada. O método TF requer um laser de alta potência para remover o polímero.