Formación directa de cableado de nanotubos de carbono con resistencia eléctrica controlada sobre películas plásticas.

Mar 24, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 2254 (2023) Citar este artículo

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Hemos desarrollado un método simple para fabricar cableado de nanotubos de carbono (MWNT) de paredes múltiples sobre una película de plástico a temperatura ambiente bajo presión atmosférica. Al irradiar con un láser una película delgada de MWNT recubierta sobre una película de polipropileno (PP), se puede fabricar directamente sobre la película de PP un cableado conductor hecho de un compuesto de MWNT y PP. La resistencia del cableado MWNT fabricado con este método osciló entre 0,789 y 114 kΩ/cm. Al cambiar la velocidad de escaneo del láser, podríamos fabricar varias regiones con diferentes resistencias por unidad de longitud incluso dentro de un solo cableado. El mecanismo de formación del cableado MWNT con resistencia sintonizable se discutió a partir de resultados experimentales, como la observación estructural microscópica mediante microscopía electrónica de barrido transversal e imágenes microscópicas Raman, y resultados de simulación, como la conducción de calor en la película durante el calentamiento por láser local. Los resultados sugieren que el cableado MWNT se formó por difusión de PP en MWNT a alta temperatura. También demostramos que el exceso de MWNT que no se usó para el cableado podría recuperarse y usarse para fabricar cableado nuevo. Este método podría utilizarse para realizar dispositivos totalmente de carbono, como sensores flexibles livianos, dispositivos de conversión de energía y dispositivos de almacenamiento de energía.

Los dispositivos flexibles totalmente de carbono han atraído la atención como dispositivos post-silicio debido a su flexibilidad, peso ligero y excelentes propiedades físicas y químicas1,2,3. Los nanotubos de carbono (CNT) son uno de los componentes básicos más prometedores para dispositivos flexibles totalmente de carbono debido a sus intrigantes propiedades físicas y químicas4. Recientemente, además de los dispositivos CNT sobre sustratos rígidos5,6, se han informado ampliamente sobre dispositivos CNT sobre sustratos flexibles, como películas plásticas7,8,9,10,11. Los dispositivos flexibles basados ​​en CNT generalmente se fabrican mediante los siguientes pasos porque los sustratos flexibles típicos no están disponibles para el proceso de crecimiento a alta temperatura12. En primer lugar, los CNT se cultivan sobre sustratos rígidos mediante deposición química de vapor (CVD). Luego, los CNT se modelan mediante procesos de litografía. Finalmente, los cableados del CNT se transfieren a un sustrato flexible13. Este método tiene dos problemas: uno de ellos es que se requieren procesos secuenciales que incluyen el proceso de alta temperatura y el proceso de sala limpia. La otra es que, dado que la resistencia eléctrica del cableado CNT transferido está determinada por la resistencia de las películas de CNT antes de la transferencia, para producir cableado CNT de diversos valores de resistencia, se requieren procesos de transferencia repetidos. Por lo tanto, es necesario desarrollar un proceso simple que pueda formar cableados CNT con resistencia controlada directamente sobre sustratos plásticos.

Se han informado dos métodos principales para fabricar cableados CNT directamente sobre sustratos plásticos, el llamado método de transferencia directa inducida por láser (LIFT)14 y el método de fusión térmica (TF)15,16,17,18. El método LIFT es una tecnología en la que un material irradiado por un láser se transfiere a un sustrato objetivo cercano, logrando así la escritura directa del cableado CNT independientemente de los materiales del sustrato19. Los métodos LIFT pueden transferir CNT a diversos sustratos, como aluminio, poliimida, vidrio y cuarzo, mediante irradiación láser a través de máscaras estampadas20,21,22. En el método LIFT, controlar la resistencia de los cableados CNT es difícil porque es necesario preparar material donante con diferente resistencia. Además, el método LIFT suele requerir costosos láseres pulsados. En los métodos TF, los CNT se mezclaron previamente con polímeros que incluían polipropileno (PP), policarbonato (PC) y epoxi15,16,17,18. Luego, el compuesto se calentó localmente utilizando un láser para vaporizar los polímeros de forma selectiva. Como resultado, se formó el cableado CNT. El método TF puede controlar la resistencia del cableado CNT sobre un sustrato flexible cambiando las condiciones del láser. Por ejemplo, se informó que la resistencia del cableado CNT oscilaba entre 0,021 y 464 kΩ/cm a medida que variaban las condiciones del láser17. Sin embargo, el método TF es problemático porque los CNT deben mezclarse con el polímero de antemano y, para ello, se requiere una gran cantidad de CNT para fabricar los cableados. Esto implica que la mayoría de los CNT del compuesto no se utilizan. El método TF requiere un láser de alta potencia para realizar la ablación del polímero.

Desde el punto de vista de la sostenibilidad material, se espera la utilización eficiente de los CNT, como el reciclaje de los donantes no utilizados en el método LIFT y los CNT integrados no utilizados en el método TF. Sin embargo, hasta donde sabemos, no ha habido informes sobre el reciclaje de CNT no utilizados en los métodos LIFT y TF.

En este estudio, para resolver los problemas mencionados anteriormente, se desarrolló un nuevo método de fabricación de cableados CNT, que se basa en el método LIFT y TF. Con este método, los cableados CNT se pueden fabricar directamente en películas de PP utilizando un láser semiconductor de bajo costo a temperatura ambiente (RT) bajo presión atmosférica. La resistencia de los cableados CNT varió de 0,789 a 114 kΩ/cm según variaron las condiciones del láser. Es posible formar regiones alternas de alta y baja resistencia en un solo cable. El mecanismo de formación de cableado CNT con resistencia sintonizable se discutió a partir de resultados experimentales, como la observación estructural microscópica mediante microscopía electrónica de barrido transversal (XSEM) e imágenes microscópicas Raman, y resultados de simulación, como la conducción de calor en la película durante el láser local. calefacción. En este estudio también se demuestra la recuperación de CNT no utilizados y su reutilización como materiales de origen para el cableado de CNT.

El método de fabricación propuesto se muestra esquemáticamente en la Fig. 1. Los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) dispersos en agua (2,0% en peso) se compraron de Meijo Nano Carbon Co., Ltd., Japón (MW-I). Para preparar la solución para la deposición por pulverización, la dispersión de MWNT se diluyó mezclando 12 ml de la solución tal como se recibió con 20 ml de agua desionizada (DI). Luego se vertió la dispersión en el depósito de solución de una máquina pulverizadora hecha a medida23. Películas de PP [espesor 200 µm; tamaño 5 × 5 cm; P466-1, (MISUMI Corporation, Japón)] se fijaron en la superficie de una placa caliente (HP-1SA, AS ONE Corporation, Osaka, Japón) y se calentaron en aire a 70 °C. La dispersión de CNT se roció sobre las películas de PP calentadas. El área de pulverización fue de 120 × 80 mm y en esta área se colocaron dos películas de PP (Fig. 1a). El espesor medio de las películas de MWNT fue de aproximadamente 10 µm. La Figura 1b muestra la película MWNT en la película de PP ubicada en una etapa X – Y motorizada (SGSP20-35, SIGMAKOKI CO., LTD., Japón). Este se irradió con un láser (DL-5146-101S, SANYO Electric Co., Ltd., Japón) (30–66 mW, λ = 405 nm) a diferentes velocidades de escaneo en el rango de 5 µm/s–1 mm/ s (los esquemas del sistema también se muestran en la Fig. S1). El láser se conectó a un cabezal con un controlador de temperatura incorporado (ALTH-103BC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., LTD., Japón) y se equipó un colimador (ACH-10B, ASAHIDATA SYSTEMS Co. LTD., Japón). una lente con una distancia focal de 4 mm y una distancia de trabajo de 2,3 mm. El láser fue impulsado por un controlador láser (ALP-7033CC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., Ltd., Japón). Luego, las películas se sonicaron (1510J-MT, Yamato Scientific Co., Ltd., Japón) durante 15 minutos para eliminar la película MWNT restante y luego se soplaron con N2 (Fig. 1c, d). La Figura 1e muestra una fotografía de un cableado MWNT típico fabricado con este método. Todos los experimentos se realizaron bajo presión ambiente a temperatura ambiente.

Ilustración esquemática de la fabricación de cableado CNT sobre sustrato de polipropileno. (a) Esquema de la formación de películas de CNT en PP. (b) Irradiación láser de película CNT sobre PP. (c) Esquema de limpieza con agua DI después de la irradiación con láser y (d) después de la limpieza. (e) Cableado CNT fabricado sobre PP bajo flexión.

Para medir las propiedades de transporte eléctrico, se utilizó pasta Ag (DOTITE D-500, FUJIKURA KASEI Co., Ltd.) para obtener contacto óhmico entre los cableados y las sondas MWNT. Se utilizaron un medidor fuente (2612A, Keithley, OH, EE. UU.) y una estación de sonda para las mediciones de corriente-voltaje (I-V). La microestructura se observó mediante SEM de emisión de campo (SUPRA 40, Carl Zeiss, Jena, Alemania). El ancho del cableado MWNT se caracterizó mediante microscopía óptica (HISOMET2, Union Optical Co., LTD., Japón). La resistencia a la flexión se midió con radios de flexión que variaron de 4,8 a 16 mm. Para demostrar que la resistencia se puede controlar en función de la velocidad de escaneo del láser, se midió la distribución de temperatura mediante termografía (IRC30, Teledyne FLIR LLC). Se aplicó un voltaje de 32 V utilizando una fuente de alimentación de CC (GPD-2303S, Good Will Instrument Co., Ltd., Taiwán). Los espectros Raman se obtuvieron utilizando un microscopio Raman (inVia Reflex, Renishaw plc., Reino Unido).

Las simulaciones de conducción de calor basadas en el método de elementos finitos (FEM) se realizaron utilizando el software COMSOL Multiphysics. La estructura del modelo para la simulación FEM fue una multicapa que constaba de una película de CNT con un espesor de 20 µm y una película de PP con un espesor de 200 µm. La conductividad térmica de la película de CNT y de la película de PP fue de 1,2 y 0,2 W/mK, respectivamente. El láser se convirtió en calor en la película de CNT y el calor se aplicó a la película de CNT y PP. En esta simulación, en lugar de un láser, se aplicó un flujo de calor gaussiano a la película CNT. La desviación estándar de la distribución gaussiana fue un tercio del diámetro del punto (1340 μm).

También se realizó una simulación de calor Joule basada en FEM utilizando COMSOL Multiphysics. La figura S2 muestra la estructura del dispositivo simulada que consta de películas de PP (alto 16 mm, ancho 65 mm) y cableado MWNT. El cableado MWNT con resistencias de 1 y 20 kΩ/cm en un solo cable se fabricó ajustando el ancho del cableado.

En este método, se pueden desperdiciar MWNT en películas de PP que no han sido irradiadas por el láser. Desde el punto de vista de la sostenibilidad material, es importante reciclar los MWNT no utilizados. Realizamos una demostración del reciclaje mediante el siguiente procedimiento. Primero, se preparó una película de MWNT sobre una película de PP utilizando el procedimiento descrito anteriormente. En segundo lugar, los cableados MWNT se fabricaron mediante irradiación láser con una potencia de irradiación de 66 mW y una velocidad de escaneo de 1 mm/s. En tercer lugar, después de sonicar la película irradiada con láser en 50 ml de agua desionizada durante 15 minutos, se obtuvieron los cableados MWNT en la película de PP y una solución acuosa de MWNT. La solución obtenida se sonicó utilizando un homogeneizador ultrasónico (FS300N, Shenzhen XinzhiBang Inst & Eq. Co., Ltd., China) a una potencia de salida de 300 W durante 10 min. Cuarto, se midieron las propiedades I – V de los cableados. Finalmente, una vez que se completó este proceso, volvimos al segundo paso de este procedimiento y fabricamos nuevos cableados MWNT en una nueva película de PP utilizando la solución MWNT reciclada. El procedimiento de reciclaje se repitió cuatro veces y obtuvimos las resistencias de los cableados MWNT en función del número de reciclaje.

La Figura 2a muestra la resistencia eléctrica en función del número de escaneos láser, con una potencia de láser de 66 mW y una velocidad de escaneo de 1 mm/s. Las muestras no fueron sonicadas entre escaneos láser. En otras palabras, las muestras fueron sonicadas solo una vez al final de los múltiples escaneos láser. Después de un único escaneo láser, la resistencia fue de 14,6 kΩ/cm. La resistencia del área sin cableado estaba por encima de 40 GΩ, que es el límite de medición, por lo que los MWNT solo existían en el área irradiada por el láser. No hubo MWNT en otras áreas. La resistencia disminuyó con un número creciente de exploraciones. La resistencia fue de 14,6 kΩ/cm por 1 escaneo y disminuyó a 3,72 kΩ/cm después de 10 escaneos. Durante 7 escaneos, las resistencias fueron similares para cada valor. Las imágenes XSEM alrededor de los cableados MWNT se muestran en los recuadros de la Fig. 2a. Se encontró que había un plano límite donde el contraste cambiaba claramente (mostrado por las flechas). Las diferencias, por el contrario, pueden reflejar diferencias en las concentraciones de MWNT. El espesor de la región brillante, donde la concentración de MWNT podría ser alta, fue de aproximadamente 1,4 μm después de 5 escaneos y aproximadamente 4,8 μm después de 10 escaneos, lo que indica que el espesor aumenta con el número de escaneos.

(a) Resistencia por cm en función del tiempo de irradiación del láser (potencia del láser 66 mW y velocidad de escaneo 1 mm/s). Los recuadros muestran las imágenes SEM transversales de las muestras después de 5 y 10 escaneos. Las barras de escala son de 2 μm. (b) Imágenes SEM de vista superior y transversales. Las barras de escala son de 0,5 μm. Resistencia por cm en función de (c) velocidad de escaneo y (d) potencia del láser. Las barras de error indican valores máximos y mínimos.

Para investigar con más detalle la estructura local de la región brillante, se observaron las imágenes SEM. La Figura 2b muestra las imágenes SEM de vista superior y las imágenes XSEM ampliadas de los cableados MWNT después de uno y cinco escaneos. Después de un escaneo, se observaron nanoestructuras fibrosas incrustadas en la película en la región brillante, lo que indica que MWNT y PP estaban mezclados en la película. Sin embargo, después de cinco escaneos, se descubrió que las nanoestructuras fibrosas, que parecían ser MWNT, estaban enredadas. Parece que la concentración relativa de PP para las cinco exploraciones fue menor que la de una exploración.

La Figura 2c muestra la resistencia eléctrica promedio en función de la velocidad de escaneo a varias potencias del láser. Para cada condición de irradiación, se prepararon un par de muestras y se midieron sus propiedades I-V. La resistencia disminuyó al aumentar la velocidad de escaneo y la distribución siguió una distribución de ley de potencia aproximada. El cableado MWNT exhibió una resistencia controlable de 0,789 a 114 kΩ/cm. La Figura 2d muestra la resistencia eléctrica promedio en función de la potencia del láser a varias velocidades de escaneo. La resistencia disminuyó exponencialmente con la potencia del láser. Se encontró que las muestras preparadas bajo las mismas condiciones de irradiación exhibían resistencias del mismo orden de magnitud.

A continuación, se midió el ancho de línea promedio del cableado MWNT utilizando un microscopio óptico. El ancho de línea se definió como la longitud del área negra perpendicular a la dirección de escaneo del láser (ver recuadro, Fig. 3a). Las muestras se prepararon y midieron tres veces. La Figura 3a muestra los anchos de línea promedio en función de la velocidad de escaneo del láser para varias configuraciones de potencia del láser. Los anchos de línea rara vez cambiaron con la velocidad de escaneo del láser, excepto a una velocidad de escaneo de 1 mm/s. Por el contrario, los anchos de línea aumentaron con la potencia del láser y variaron de 292 a 683 µm dependiendo de las condiciones del láser. La Figura 3b muestra el ancho de línea en función del número de escaneos láser para potencias de láser de 30 y 66 mW a una velocidad de escaneo de 1 mm/s. Los anchos de línea rara vez cambiaban con el número de escaneos y aumentaban con la potencia del láser.

(a) Ancho de línea de los cableados MWNT en función de la velocidad de escaneo del láser para varias potencias del láser. (b) Ancho de línea de los cableados MWNT en función del número de escaneos (velocidad de escaneo 1 mm/s). (c) Espectros Raman de cableados MWNT para varias velocidades de escaneo láser. (d) Mapeo Raman de la relación G – D de cableados MWNT para varias velocidades de escaneo con diferentes valores de resistencia dentro de un solo cable.

Se realizó un análisis Raman para investigar el efecto de la irradiación láser sobre la cristalinidad de los MWNT. La Figura 3c muestra los espectros Raman de los cableados MWNT a varias velocidades de escaneo láser y la película MWNT antes de la irradiación láser. Hubo dos picos característicos24,25: la banda D (~ 1350 cm-1) y la banda G (~ 1580 cm-1), que representan los defectos y la naturaleza grafítica de los enlaces sp2, respectivamente. La relación G/D indica la cristalinidad de los MWNT. Se estimó que eran 0,73 para una velocidad de escaneo de 0,05 mm/s, 0,90 para una velocidad de escaneo de 1 mm/s y 0,78 para MWNT prístinos. Por lo tanto, cuanto mayor sea la velocidad de escaneo, mayor será la cristalinidad de los cableados MWNT. En comparación con la cristalinidad de los MWNT prístinos, a velocidades de escaneo más lentas, se encontró que la cristalinidad estaba ligeramente degradada. Esta tendencia sugiere que, dependiendo de las diferentes condiciones de irradiación, el calentamiento local del láser provoca una mejora de la cristalinidad o la formación de defectos.

La Figura 3d muestra una imagen de microscopio óptico superpuesta y un mapeo Raman en la interfaz de las muestras fabricadas a diferentes velocidades de escaneo en un solo cableado. Se confirmó que la relación G/D cambió significativamente en la interfaz donde se cambió la velocidad de escaneo. Los cableados MWNT con velocidades de escaneo más lentas tenían relaciones G/D más pequeñas, lo que indica una baja cristalinidad. Creemos que los MWNT se oxidaron al aumentar la temperatura de la superficie del MWNT durante una irradiación láser prolongada, lo que puede explicar la relación entre la menor velocidad de escaneo y la menor cristalinidad. Aunque los MWNT con más defectos deberían tener mayor resistencia, este resultado mostró la tendencia opuesta. Las razones de esto se consideraron de la siguiente manera.

La resistencia por unidad de longitud (R) se puede expresar como \(R=\frac{\rho }{wd}\), según la ley de Ohm26, donde ρ, w y d son la resistividad, el ancho y la profundidad de la cableado, respectivamente. Los anchos de línea eran independientes de la velocidad de escaneo y del número de escaneos láser, como se muestra en las figuras 3a y b. Por otro lado, como se muestra en las figuras 2a y b, tanto el grosor del cableado como la concentración relativa de MWNT (es decir, correspondiente a ρ en el cableado) aumentaron al aumentar el número de irradiaciones. Si la acumulación temporal de energía fotónica determina la fusión térmica de MWNT y películas de PP, un aumento en el número de escaneos podría ser sinónimo de una disminución en la velocidad de escaneo. Por lo tanto, se considera que la resistencia del cableado está determinada principalmente por ρ y d. La razón de la disminución en la resistencia del cableado a pesar de la degradación de la cristalinidad local durante el escaneo lento podría ser que tanto la reducción de ρ como el aumento de d fueron más dominantes que la degradación de la cristalinidad local de los MWNT.

Para investigar el mecanismo de formación de los cableados MWNT, se realizaron observaciones XSEM y simulaciones de conducción de calor basadas en FEM. La Figura 4a muestra una imagen XSEM del cableado MWNT con una potencia de láser de 66 mW y una velocidad de escaneo de 0,05 mm/s. Todas las áreas en la Fig. 4a son negras cuando se observan desde arriba. En la zona central se encontró una capa gruesa, que parecía ser una película de MWNT. Su longitud era de más de 200 µm. Se observaron agujeros submicrónicos entre los límites de la película MWNT a una profundidad de 60 μm. Para determinar la distribución de los agujeros, se obtuvo a partir de las imágenes XSEM la distribución de densidad de los agujeros en una región con un ancho de 25 μm y una profundidad promedio de 60 μm. La Figura 4b muestra la distribución de densidad medida de los agujeros y el ajuste de la función gaussiana. El ancho total a la mitad del máximo de la función gaussiana es 264,74 µm y la distribución de agujeros es consistente con la capa gruesa de MWNT.

(a) Imágenes XSEM del cableado MWNT (potencia del láser 66 mW, velocidad de escaneo 0,05 mm/s). (b) Distribución de densidad de agujeros en PP. (c) Distribución de temperatura en PP simulada con COMSOL Multiphysics. (d) Imágenes SEM de vista superior y espectros Raman del cableado MWNT con una potencia láser de 66 mW y una velocidad de escaneo de 0,05 mm/s desde el centro hasta el borde del cableado. A, B y C indican el centro, la mitad y el borde del cableado MWNT, respectivamente. Las barras de escala son de 0,5 μm. (e) Mecanismo de formación especulado de cableados MWNT.

Se ha informado que se forman agujeros cuando se calientan películas plásticas independientes y que el número de agujeros aumenta con la temperatura27. Por lo tanto, la gruesa capa de MWNT se consideró una región de alta temperatura. La distribución de temperatura de la película bajo irradiación láser se investigó utilizando el FEM. La Figura 4c muestra una distribución de temperatura superpuesta en el límite de la capa MWNT y PP y la distribución de temperatura de la película. El calor se conduce preferentemente en dirección horizontal en lugar de vertical porque la conductividad térmica es mayor para las películas MWNT que para las de PP. La temperatura alrededor de la superficie del conjunto era más alta que la de la película. Esto es consistente con la distribución del número de agujeros, lo que indica que la región con una capa gruesa de MWNT es una región de alta temperatura.

La Figura 4d muestra las imágenes SEM de vista superior y los espectros Raman del cableado MWNT, cuyas condiciones de irradiación fueron la potencia del láser de 66 mW y la velocidad de escaneo de 0,05 mm/s, en el centro (A), medio (B). y posiciones del borde (C) del cableado. La distancia entre cada posición fue de aproximadamente 100 μm. Aunque los MWNT se observaron claramente en la región central, en la región media se observó una estructura en la que algunos MWNT estaban enterrados en la película de PP. En la región del borde, muchos MWNT estaban incrustados en la película de PP. Por otro lado, las relaciones G/D de los espectros Raman fueron casi constantes dentro de las regiones observadas.

El PP se difunde ampliamente en la película MWNT porque el PP de alta temperatura tiene un alto coeficiente de difusión28. En consecuencia, alrededor de la región central, se aumentó el espesor de la capa compuesta de MWNT-PP, como se muestra en la Fig. 4a. Además, se supuso que se evaporaba una gran cantidad de PP, lo que provocaba la exposición de los MWNT. Mientras tanto, dado que la temperatura disminuye en la región cercana al borde, se considera que el espesor de la región de fusión es más delgado debido al menor coeficiente de difusión del PP. La película enterrada de MWNT en el PP se formó porque la cantidad de PP evaporado disminuyó a una temperatura más baja. En este caso, la diferencia de temperatura en diferentes lugares rara vez afectó la cristalinidad de los MWNT. Sin embargo, afectó la difusión y evaporación del PP.

En resumen, el mecanismo de formación de cableados MWNT se puede considerar de la siguiente manera. Como se muestra en la Fig. 4e, la película MWNT es irradiada por un láser y genera calor porque los MWNT tienen una alta eficiencia de conversión fototérmica29. Las conductividades térmicas de la película MWNT y PP fueron 15 y 0,180 W/mK, respectivamente30,31. Por lo tanto, el calor se conduce preferentemente en dirección horizontal, lo que resulta en altas temperaturas en la interfaz MWNT-PP y bajas temperaturas en las películas de PP. El PP de alta temperatura se difundió en la película MWNT. En el centro del láser, que es la región de alta temperatura, una gran cantidad de PP se difunde en la película MWNT. Sin embargo, en el borde del láser, donde la temperatura es más baja, una pequeña cantidad de PP se difunde en la película MWNT. El PP difundido en la película MWNT forma una capa compuesta de PP/MWNT. Por tanto, se formó un compuesto grueso de PP/MWNT en el centro del láser, mientras que se formó un compuesto fino de PP/MWNT en el borde del láser. A medida que aumentó la potencia del láser, aumentó el espesor del compuesto PP/MWNT, lo que puede haber disminuido la resistencia debido a la gran cantidad de MWNT en la capa gruesa de MWNT.

Descubrimos que la resistencia del cableado MWNT se puede cambiar controlando las condiciones del láser. Para visualizar el cambio en la resistencia en el cableado, se aplicó un voltaje a un cableado a una velocidad de escaneo variable y se midió la distribución de temperatura mediante termografía. La Figura 5a muestra el esquema, la fotografía, la imagen termográfica y la imagen de simulación. La temperatura aumenta debido al calentamiento Joule en la región donde la velocidad de escaneo del láser es rápida. Este resultado es consistente con los resultados de la simulación. Se demostró que se pueden formar cables con diferentes valores de resistencia simplemente cambiando la velocidad de escaneo del láser.

(a) Mapa de temperatura de los cableados MWNT y resultado de la simulación con fotografía y diagrama esquemático. (b) Valores R/R0 con diferentes radios de curvatura. R0 es la resistencia inicial. (c) Ensayo de flexión repetido con un radio de flexión de 9,5 mm. (d) Resistencia por cm en función del número de reciclaje.

La Figura 5b muestra la relación entre la resistencia (R) del cableado MWNT bajo flexión y la resistencia (R0) en condiciones planas en función del radio de curvatura. La resistencia del cableado MWNT permaneció constante en condiciones de flexión. Para investigar la confiabilidad del cableado MWNT, se realizó una prueba de flexión repetida. La película se dobló 1.000 veces con un radio de curvatura de 9,5 mm. Como se muestra en la Fig. 5c, la resistencia del cableado MWNT permaneció constante incluso después de 1000 ciclos de flexión, lo que indica que el cableado es altamente confiable sin degradación estructural debido a la flexión. El cableado MWNT fabricado mostró flexibilidad. Se ha informado que los MWNT y los compuestos poliméricos varían en resistencia bajo flexión porque la matriz polimérica se estira, lo que aumenta la distancia MWNT-MWNT y disminuye el número de caminos conductores, lo que resulta en una disminución de la resistencia32,33,34. La resistencia constante de los cableados MWNT bajo flexión se puede atribuir a la alta densidad de MWNT en la capa compuesta MWNT-PP. Como se muestra en la Fig. 2b, la capa compuesta de PP/MWNT formó una película de MWNT densa y aleatoria. Cuando se dobló el cableado de MWNT, la matriz se estiró, mientras que el número de rutas conductoras no cambió debido al área significativa de contacto entre MWNT y MWNT-MWNT. Por lo tanto, se concluyó que la resistencia del cableado no cambió al doblarse.

A continuación, demostramos el reciclaje de MWNT no utilizados en películas de PP. Elaboramos soluciones acuosas de MWNT a partir de los MWNT no utilizados, que se encuentran en el área no irradiada por el láser. La solución de MWNT recuperada se usó nuevamente para pulverizar. La Figura 5d muestra la resistencia de los MWNT en función del número de reciclaje. La resistencia del cableado MWNT fabricado utilizando el método descrito se mantuvo casi constante hasta un factor de cuatro. Se demostró que este método puede reducir la cantidad de MWNT utilizados y puede utilizarlos de manera más eficiente que los métodos convencionales de fusión térmica.

En este estudio, la formación de cableados MWNT se demostró depositando MWNT por pulverización sobre una película de PP e irradiándolos con un láser. Los cableados MWNT fabricados exhibieron una resistencia controlable que oscilaba entre 0,789 y 114 kΩ/cm, dependiendo de las condiciones del láser. Se descubrió que el ancho de línea no depende de la velocidad de escaneo del láser, sino de la intensidad del láser. La observación XSEM del cableado MWNT reveló que se formó una capa gruesa de MWNT en el centro del cableado MWNT. Además, la formación de un agujero debajo de la gruesa capa de MWNT y los resultados de la simulación indican que la gruesa capa de MWNT era una región de alta temperatura. Por lo tanto, se concluyó que la difusión de PP de alta temperatura en la película de MWNT formó una capa gruesa de MWNT, lo que resultó en una disminución de la resistencia.

Los cableados MWNT fabricados utilizando el método descrito no mostraron cambios en la resistencia al doblarse. Los MWNT que no se utilizaron para el cableado se pudieron reciclar fácilmente y la resistencia no cambió después del reciclaje. Los cableados MWNT fabricados son flexibles, requieren un uso bajo de MWNT y se pueden fabricar directamente en PP con resistencia controlable en una atmósfera sin vacío. Esta tecnología podría usarse para fabricar cableados de carbono y dispositivos de carbono para sensores flexibles, que se espera que se vuelvan populares en mercados a gran escala.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue financiado en parte por la Subvención para la Investigación Científica (C) (22K04880) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, MEXT. Este trabajo fue financiado en parte por la "Infraestructura de investigación avanzada para materiales y nanotecnología en Japón (ARIM)" del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT). Número de propuesta JPMXP1222NM0102. Nos gustaría agradecer a Editage (www.editage.com) por la edición en inglés.

Departamento de Electrónica Aplicada, Escuela de Graduados en Ingeniería Avanzada, Universidad de Ciencias de Tokio, Katsushika, Tokio, 125-8585, Japón

Hiroaki Komatsu, Takahiro Matsunami, Yosuke Sugita y Takashi Ikuno

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Conceptualización, TI, HK; metodología, Hong Kong; software, Hong Kong; validación, Hong Kong; análisis formal, HK, TM; investigación, HK, TM, YS; recursos, TI; curación de datos, HK, TM, YS; redacción: preparación del borrador original, HK; redacción: revisión y edición, HK, TI; visualización, Hong Kong; supervisión, TI; administración de proyectos, TI, HK; adquisición de financiación, TI Todos los autores leyeron y aceptaron la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Takashi Ikuno.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Komatsu, H., Matsunami, T., Sugita, Y. et al. Formación directa de cableado de nanotubos de carbono con resistencia eléctrica controlada sobre películas plásticas. Informe científico 13, 2254 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

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Recibido: 16 de diciembre de 2022

Aceptado: 07 de febrero de 2023

Publicado: 08 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

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