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    金銀合“壁”,納米線更皮實更高效
    發布:kittyll   時間:2021/9/27 8:47:48   閱讀:1195 
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    帶有光滑超薄金殼的銀納米線原理圖(左),存在“蝕刻”孔隙的鍍金銀納米線原理圖(右)。圖片來源:Khademhosseini實驗室

    今天,納米技術已經足夠先進,可應用在無數有用的設備上,從觸摸屏設備傳感器、家用電器傳感器到可穿戴生物傳感器,這些傳感器可監測血液中的化學水平、肌肉運動、呼吸和脈搏率。此外,還有一些精密設備的技術,如高分辨率掃描探針顯微鏡,甚至能讓人們看到單個原子本身。

    這些器件通常使用在玻璃或陶瓷基板上涂上導電材料的薄涂層制成的電極。但這類電極很脆弱,缺乏靈活性,它們還會采用昂貴和不易獲得材料,制造起來難度也大。

    一種備受關注的替代材料是銀納米線,這些導線的直徑非常?。ㄐ〉揭缓撩椎那Х种唬?,可制作成不同的橫截面形狀和結構。它們在導電性方面也是無與倫比的,具有優越的機械強度和柔韌性,可以很容易地用現成的材料合成。

    這些特性和銀納米線的多功能性使得它們不僅對許多常用的電子設備特別有吸引力,對柔性電子產品的創新也特別有吸引力,如柔性手機和平板電腦,廉價的太陽能電池板或太陽能電池,可以制作在墻紙或衣服上。

    銀納米線已成功地用于各種電子器件的電極;然而,由于它們易受熱、光和濕氣的腐蝕作用,商業用途受到了阻礙。這種腐蝕會導致納米線表面出現凹坑和孔洞或“蝕刻”,從而對納米線的電、機械和光學性能產生負面影響。蝕刻對基于銀納米線的器件性能非常不利,甚至可能導致器件失效。

    以前,科學家曾嘗試在銀納米線周圍制造保護殼。在一次嘗試中,研究人員曾將一種薄聚合物沉積在基底上作為納米線屏障。納米線的表面也生長了具有保護作用的薄金屬或碳殼。這增加了用作透明電極的銀納米線的壽命和性能;然而,外殼表面缺乏高精度設備所需要的均勻光滑。

    美國加州大學河濱分校的研究人員開發了一種圍繞銀納米線制造超薄外殼的方法,獲得了卓越的穩定性和有效性。相關研究近日發表于施普林格·自然旗下的《納米研究》。

    研究者首先選擇黃金作為保護殼,因為它能抵抗熱、光和濕氣。它的結構也類似于銀,這有助于在銀納米線表面生長超薄的金層。然而,帶電的金原子可能會與銀本身發生反應,形成孔洞或孔洞,這顯然是有問題的。該團隊通過選擇一種化學物質與帶電的金原子配合來解決這個問題,有效地抑制了孔隙的形成。

    該團隊接下來開發了一種室溫、基于解決方案的制造方法,它提供了簡單的設置和直接的、可擴展的步驟。此外,他們的方法允許調整反應時間和混合物來控制沉積金層的厚度。

    他們合成了銀納米線,通過結合溶液,讓納米線生長和結晶。他們還優化了實驗條件,以提高納米線的化學穩定性。合成的銀納米線有清晰的、三納米厚的金涂層,表面光滑,沒有蝕刻。他們還展示了一個穩定的銀-金界面,這對于保持納米線的光學和電學特性至關重要。

    “我們考慮了設計一種有效方法來延長基于銀納米線的器件壽命的每一個可能的挑戰,”該研究第一作者朱揚志博士(音譯)說,“我們的數據清楚地表明,我們能夠為這些挑戰創造有效的解決方案。”

    研究團隊隨后進行了實驗,評估鍍金和未處理的銀納米線的耐用性。當納米線暴露在空氣中,未涂層的銀納米線在10天后嚴重損壞并惡化。鍍金納米線即使在6個月后也沒有變化。將兩種納米線暴露在過氧化氫和鈉緩沖鹽水的破壞作用下,也得到了類似的結果。

    在柔性透明電極的性能測試中,兩種納米線都暴露在高溫和高濕度中;未涂層的納米線在12天后失效,但鍍金的銀納米線的性能可與頂級的商用納米線相媲美。

    在光學器件的性能測試中,鍍金納米線在21天內表現出了高性能。相比之下,未經處理的銀納米線在一周內表現出效率下降,最終失敗。此外,試驗表明,金殼沒有引入額外的背景噪聲。

    在相同的時間框架內,金涂層納米線在高分辨率掃描探針顯微鏡測試中表現出了優越的結果,提供了穩定的高質量圖像。相比之下,未經處理的納米線的圖像質量逐漸下降,直到器件發生故障。這些是顯著的成就,因為這種類型的顯微鏡涉及高水平的機械應力和納米線的穩定性是至關重要的。

    “在無數的設備中使用銀納米線有很多優勢,因此提高其性能和耐久性的能力產生了巨大的影響。”論文共同作者、寺崎生物醫學創新研究所董事兼首席執行官Ali Khademhosseini說,研究團隊為實現這一目標而設計的方法證明了這一研究的可靠性。

    “金銀合璧”的納米線價格自然會更高,不過,由于其優良的導電性、納米級別的尺寸,以及優異的透光性、耐曲撓性,未來它將在柔性折疊屏等領域一展身手。

    相關論文信息:
    https://doi.org/10.1007/s12274-021-3718-z

    來源:中國科學報
     
     
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