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卷簾電視和可彎曲智能手機(jī)柔性電子材料的未來
您聽說過可折疊智能手機(jī)嗎?卷成盒子的柔性電視屏幕怎么樣?還是只有幾毫米厚的超薄“墻紙”電視?
具有可折疊,可彎曲,柔性和超薄電子產(chǎn)品的未來正迅速成為我們的禮物。負(fù)責(zé)這些消費(fèi)品的材料通常是導(dǎo)電的聚合物(塑料)。為了更好地理解這種有前途的物質(zhì),美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家開發(fā)了一種技術(shù),該技術(shù)使用光來快速而準(zhǔn)確地測(cè)試材料的電導(dǎo)率 -并可能揭示其他方法無法實(shí)現(xiàn)的行為。現(xiàn)在,NIST團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了這種基于光的方法的進(jìn)一步用途,該方法可用于揭示一種聚合物中從未見過的行為。
科學(xué)家今天在“物理化學(xué)雜志” C中報(bào)道了他們的結(jié)果。
這項(xiàng)工作是NIST對(duì)開發(fā)測(cè)量工具以研究用于各種電子傳輸?shù)男路f材料(從可彎曲生物傳感器到移動(dòng)電話和太陽能電池)的最新貢獻(xiàn)。
NIST研究化學(xué)家,美國國家研究委員會(huì)(National Research Council)博士后研究員Tim Magnanelli表示:“柔性顯示器和智能手機(jī)的市場(chǎng)正在增長(zhǎng),并將其保持在更小,更靈活,更容易批量生產(chǎn)的水平?!昂?jiǎn)化電導(dǎo)率測(cè)試過程對(duì)于僅想知道的行業(yè)研究人員而言可能是非常有價(jià)值的,”我們是否經(jīng)過正確的修改會(huì)朝著正確的方向前進(jìn)?這會(huì)使材料更好嗎?””
導(dǎo)電塑料
大多數(shù)消費(fèi)類電器(例如筆記本電腦,甚至洗衣機(jī)中的計(jì)算機(jī))都基于硅技術(shù)。硅是控制電導(dǎo)通的極佳材料,因?yàn)椤半姾奢d流子”能夠輕松地在硅晶體中移動(dòng)。負(fù)載流子是電子。正載流子稱為“空穴”,是缺少電子的地方。
盡管自19世紀(jì)以來就已經(jīng)研究并廣泛使用了塑料,但是導(dǎo)電塑料才剛剛開始被用于主流商業(yè)電子產(chǎn)品。它們?cè)趯?dǎo)電方面往往效率不如硅,這意味著電荷載流子在材料中的移動(dòng)通常較小。但是,塑料不僅在硅剛性的地方具有撓性,而且更輕,更可定制,并且通常更便宜且更容易制造。它們甚至可以是透明的。
測(cè)試材料導(dǎo)電性的典型方法是在其上焊接觸點(diǎn)。但是,盡管接觸良好地附著在硅上,但并非總是能夠與聚合物建立良好的連接。即使連接良好,材料表面仍會(huì)存在缺陷,從而改變其測(cè)量的電導(dǎo)率。對(duì)每個(gè)樣品施加接觸也需要時(shí)間,從而延長(zhǎng)了測(cè)試過程,并有可能阻止制造商將樣品用作設(shè)備組件。
為了解決這些問題,幾年前,NIST研究化學(xué)家Ted Heilweil設(shè)計(jì)了一種快速的非接觸式方法來測(cè)量依賴兩種光的定向電導(dǎo)率。首先,他使用可見光的超短脈沖在樣品中產(chǎn)生電子和空穴。然后,他用極化太赫茲(THz)輻射照射樣品,該輻射的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于人眼在遠(yuǎn)紅外到微波范圍內(nèi)的可見度。
與可見光不同,太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料,例如相對(duì)較厚的聚合物樣品和固體半導(dǎo)體。多少光穿透樣品取決于多少電荷載流子自由移動(dòng),表明其導(dǎo)電性。這種新方法還揭示了電荷是否更容易在特定方向上穿過材料。
驚喜發(fā)現(xiàn)
在最新研究中,Heilweil和Magnanelli首次對(duì)兩種導(dǎo)電聚合物使用了THz方法,這是因?yàn)樗鼈兪且子谘芯亢捅容^的簡(jiǎn)單聚合物,因此被選中。第一個(gè)稱為PCDTPT,是相對(duì)較新的。它的鏈條由兩個(gè)不同的分子組成,這些分子首尾相連并像橡皮糖蠕蟲上的顏色一樣交替變化。鏈中的一個(gè)分子是“供體”,它吸收光并產(chǎn)生電荷載流子。另一個(gè)分子是一個(gè)“受體”,它吸引電荷載流子,促使它們沿著鏈和樣品周圍運(yùn)動(dòng)。
在這項(xiàng)工作中測(cè)試的第二種聚合物,稱為P3HT,被用于比較,因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)其進(jìn)行了更徹底的研究。它僅包含一個(gè)重復(fù)分子,并且具有比PCDTPT更隨機(jī),更不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。與硅相比,PCDTPT的導(dǎo)電性降低約三個(gè)數(shù)量級(jí),而P3HT的導(dǎo)電性降低約四個(gè)數(shù)量級(jí)。
Heilweil和Magnanelli首先以納米膜的形式對(duì)這兩種物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試-本質(zhì)上是薄而固體的樣品。他們的目的是對(duì)比檢查PCDTPT薄膜的導(dǎo)電特性,即沿線與跨線進(jìn)行對(duì)比。
然后,他們將這兩個(gè)分子懸浮在不導(dǎo)電的液體中,阻止了它們之間的電子相互作用和通訊。正如先前實(shí)驗(yàn)所預(yù)期的那樣,P3HT溶液沒有顯示出可測(cè)量的電導(dǎo)率。
然而,令他們驚訝的是,PCDTPT解決方案確實(shí)顯示出導(dǎo)電性。不僅如此,它在溶液中的電導(dǎo)率與固體形式一樣多。
“真是太神奇了,”海爾威爾說?!拔覀円郧皬奈丛谄渌魏尉酆衔镏锌吹竭^這種行為?!?/span>
由于PCDTPT分子在液體樣品中彼此更隔離,因此該發(fā)現(xiàn)對(duì)研究人員意味著PCDTPT中的電導(dǎo)率發(fā)生在單個(gè)聚合物鏈之內(nèi)和沿著單個(gè)聚合物鏈(即,在單個(gè)膠粘蠕蟲中),而不是在聚合物鏈之間(即,不同于大多數(shù)科學(xué)家以前的想法。
Magnanelli說:“我們無法使用傳統(tǒng)的基于接觸的方法來發(fā)現(xiàn)此信息?!?/span>
制備樣品的NIST物理學(xué)家李·里希特(Lee Richter)和客座研究員塞巴斯蒂安·恩格曼(Sebastian Engmann)一直在通過接觸來以常規(guī)方式測(cè)試定向聚合物材料。Magnanelli說,使用太赫茲方法使研究人員“不僅要考慮放置觸點(diǎn)的表面上發(fā)生了什么,而且要遍歷整個(gè)層,從而更進(jìn)一步”。
展望未來,Heilweil和Magnanelli希望探索類似的市售聚合物以及Richter獲得的其他聚合物的性能。Magnanelli說,當(dāng)懸浮在液體中時(shí),PCDTPT令人驚訝的電導(dǎo)率“可能是冰山的一角,因?yàn)橐苍S另一種聚合物的電導(dǎo)率也比預(yù)期的要好得多?!?“天空是極限。”
盡管PCDTPT或P3HT本身都不會(huì)對(duì)大型消費(fèi)電子設(shè)備特別有用,但Heilweil強(qiáng)調(diào)指出,通過找到設(shè)計(jì),定向和測(cè)量材料特性的更好的新方法,提出正確的問題可能會(huì)向研究人員表明以前沒有興趣的材料可以比任何人意識(shí)到的要好得多。
Heilweil說:“預(yù)測(cè)可能是,即使我們?nèi)栽诹私膺@些聚合物的表現(xiàn)方面仍處于起步階段,但我們可能會(huì)達(dá)到一個(gè)很好的水平,甚至可以與硅競(jìng)爭(zhēng)。” “這是一個(gè)遠(yuǎn)景,但很有可能?!?/span>
來源:攜手健康網(wǎng)
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