電気抵抗を制御したカーボンナノチューブ配線をプラスチックフィルム上に直接形成

Mar 24, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2254 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、室温、大気圧下でプラスチックフィルム上に多層カーボンナノチューブ（MWNT）配線を作製する簡単な方法を開発した。 ポリプロピレン（PP）フィルム上にコーティングされたMWNT薄膜にレーザーを照射することで、PPフィルム上にMWNTとPPの複合体からなる導電配線を直接作製できます。 この方法を使用して製造された MWNT 配線の抵抗は、0.789 ～ 114 kΩ/cm の範囲でした。 レーザーの走査速度を変えることで、1本の配線内でも単位長さあたりの抵抗値が異なるさまざまな領域を作製することができました。 断面走査型電子顕微鏡や顕微ラマンイメージングを用いた微細構造観察などの実験結果と、局所レーザー加熱時の膜内の熱伝導などのシミュレーション結果の両方から、抵抗調整可能なMWNT配線の形成メカニズムを議論しました。 この結果は、MWNT 配線が高温で MWNT 内に PP 拡散によって形成されたことを示唆しています。 また、配線に使用されなかった余剰のMWNTを回収し、新しい配線の作製に使用できることも実証しました。 この方法は、軽量のフレキシブルセンサー、エネルギー変換デバイス、エネルギー貯蔵デバイスなどの全炭素デバイスを実現するために利用できます。

フレキシブルオールカーボンデバイスは、その柔軟性、軽量、優れた物理的および化学的特性により、ポストシリコンデバイスとして注目を集めています1、2、3。 カーボン ナノチューブ (CNT) は、その興味深い物理的および化学的特性により、フレキシブルなオールカーボン デバイスの最も有望な構成要素の 1 つです4。 最近では、リジッド基板上の CNT デバイス 5,6 に加えて、プラスチックフィルムなどのフレキシブル基板上の CNT デバイスも広く報告されています 7,8,9,10,11。 一般的なフレキシブル基板は高温成長プロセスには使用できないため、CNT ベースのフレキシブルデバイスは一般に次の手順で製造されます 12。 まず、CNT は化学蒸着 (CVD) によって剛性基板上に成長します。 次に、リソグラフィー工程によりＣＮＴをパターニングする。 最後に、CNT 配線をフレキシブル基板 13 上に転写します。 この方法には 2 つの課題があり、1 つは高温プロセスとクリーンルームプロセスという一連のプロセスが必要であることです。 もう一つは、転写されたCNT配線の電気抵抗は転写前のCNT膜の抵抗によって決まるため、様々な抵抗値のCNT配線を作製するには転写工程を繰り返す必要があることである。 したがって、抵抗を制御したCNT配線をプラスチック基板上に直接形成できる簡単なプロセスを開発する必要がある。

プラスチック基板上に CNT 配線を直接製造するための 2 つの主な方法、いわゆるレーザー誘起前方転写 (LIFT) 法 14 と熱融着 (TF) 法 15、16、17、18 が報告されています。 LIFT法は、レーザーを照射した材料を対象基板に近接転写することで、基板材料に依存せずCNT配線の直接描画を実現する技術である19。 LIFT 法では、パターン化されたマスクを介したレーザー照射により、アルミニウム、ポリイミド、ガラス、石英などのさまざまな基板に CNT を転写できます 20、21、22。 LIFT法では、抵抗値の異なるドナー材料を用意する必要があるため、CNT配線の抵抗値を制御することが困難です。 さらに、LIFT 法では通常、高価なパルス レーザーが必要になります。 TF 法では、CNT をポリプロピレン (PP)、ポリカーボネート (PC)、エポキシなどのポリマーと事前に混合します 15、16、17、18。 次に、レーザーを使用して複合材料を局所的に加熱し、ポリマーを選択的に蒸発させました。 これにより、ＣＮＴ配線が形成された。 TF法は、レーザー条件を変えることでフレキシブル基板上のCNT配線の抵抗を制御することができます。 たとえば、CNT 配線の抵抗は、レーザー条件の変化に応じて 0.021 ～ 464 kΩ/cm の範囲であると報告されています 17。 しかし、TF法ではCNTとポリマーを事前に混合する必要があり、配線の作製に多量のCNTが必要になるという問題がある。 これは、複合材料内のほとんどの CNT が利用されていないことを意味します。 TF 法では、ポリマーをアブレーションするために高出力レーザーが必要です。