Muestras de redes de nanocables de Ag para un dominio de 140 μm × 140 μm con (a) concentración justo por encima de la concentración crítica de percolación (C ~ Cp), y (b) concentración muy por encima de la concentración de percolación crítica (C »Cp). El voltaje se aplica a lo largo de la dirección horizontal a lo largo de la longitud del dominio. Crédito:Tansu, Universidad de Lehigh
Investigadores de la Universidad de Lehigh han identificado por primera vez que se puede lograr una ganancia de rendimiento en la conductividad eléctrica de redes de nanocables metálicos aleatorias restringiendo ligeramente la orientación de los nanocables. El resultado más sorprendente del estudio es que las configuraciones muy ordenadas no superan a las configuraciones con cierto grado de aleatoriedad; la aleatoriedad en el caso de las orientaciones de los nanocables metálicos actúa para aumentar la conductividad.
El estudio, Conductividad de matrices de nanocables en configuraciones de orientación ordenadas y aleatorias, se publica en el número actual de Naturaleza diario Informes científicos . La investigación fue realizada por Nelson Tansu, Daniel E. '39 y Patricia M. Smith, profesora titular en el Centro de Fotónica y Nanoelectrónica de Lehigh y en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, y el autor principal Milind Jagota, un estudiante de secundaria del área de Belén.
Los conductores transparentes se necesitan ampliamente para pantallas planas, pantallas táctiles, células solares, y diodos emisores de luz, entre muchas otras tecnologías. En la actualidad, El óxido de indio y estaño (ITO) es el material más utilizado para conductores transparentes debido a su alta conductividad y alta transparencia. Sin embargo, La tecnología basada en ITO tiene varios problemas. El material es escaso, caro de fabricar y quebradizo, una característica particularmente indeseable para cualquier cosa que se utilice en esta era moderna de electrónica flexible.
Los investigadores que buscan un reemplazo para ITO están empleando cada vez más redes aleatorias de nanocables metálicos para igualar ITO tanto en transparencia como en conductividad. Las tecnologías basadas en nanocables metálicos muestran una mayor flexibilidad y son más compatibles con los procesos de fabricación que las películas ITO. La tecnología, sin embargo, se encuentra todavía en una fase inicial de desarrollo y se debe mejorar el rendimiento. La investigación actual se centra en el efecto de la orientación de las barras sobre la conductividad de las redes para mejorar el rendimiento.
Mapa de color 2-D que muestra el voltaje en diferentes nodos en el dominio computacional para arreglos de red con una concentración mucho más alta que la concentración de percolación (C ~ 5 Cp). Los puntos representan voltajes en cada nodo. El voltaje del borde izquierdo es de 10 V, el voltaje del borde derecho es 0 V. Crédito:Tansu, Universidad de Lehigh
En este trabajo, Los investigadores de Lehigh desarrollaron un modelo computacional para la simulación de redes de nanocables metálicos, lo que debería acelerar el proceso hacia la idealización de la configuración de los nanocables. El modelo predice los resultados experimentales existentes y los resultados computacionales publicados anteriormente.
Luego, los investigadores utilizaron este modelo para extraer resultados por primera vez sobre cómo la conductividad de redes de nanocables metálicos aleatorias se ve afectada por diferentes restricciones de orientación de diversa aleatoriedad. Se informan dos configuraciones de orientación diferentes.
En el primero, una distribución uniforme de orientaciones en el rango (-θ, θ) con respecto a una línea horizontal. En el segundo, se utiliza una distribución de orientaciones en el rango [-θ] ∪ [θ], también con respecto a una línea horizontal. En cada caso, θ se reduce gradualmente de 90 ° a 0 °. La conductividad se mide tanto en direcciones paralelas como perpendiculares a la alineación.
Los investigadores encontraron que se puede obtener una mejora significativa en la conductividad paralela a la dirección de alineación restringiendo ligeramente la orientación de la distribución uniforme. Esta mejora, sin embargo, se produce a expensas de una caída mayor de la conductividad perpendicular. La forma general de estos resultados coincide con lo demostrado por los investigadores que experimentan con películas de nanotubos de carbono. Asombrosamente, se encontró que el segundo caso altamente ordenado no puede superar a las redes isotrópicas en ningún valor de θ; demostrando así que las configuraciones de orientación continua con cierto grado de aleatoriedad son preferibles a las configuraciones muy ordenadas.
Investigaciones anteriores en este campo han estudiado los efectos de la orientación sobre la conductividad de los compuestos de nanotubos de carbono 3D, encontrando que un ligero grado de alineación mejora la conductividad. Se han utilizado modelos computacionales para estudiar cómo la probabilidad de percolación de las dispersiones de barras aleatorias 2D se ve afectada por la orientación de las barras. Otros han desarrollado un modelo computacional más sofisticado capaz de calcular la conductividad de las dispersiones de varillas en 3D, nuevamente encontrando que un ligero grado de alineación axial mejora la conductividad.
"Las redes de nanocables metálicos muestran un gran potencial para su aplicación en diversas formas de tecnología, "dijo Jagota." Este modelo computacional, que ha demostrado ser precisa gracias a su buen ajuste con los datos publicados anteriormente, ha demostrado cuantitativamente cómo las diferentes configuraciones de orientación pueden afectar la conductividad de las redes de nanocables metálicos ".
"La restricción de la orientación puede mejorar la conductividad en una sola dirección en cantidades significativas, que puede ser relevante en una variedad de tecnologías donde el flujo de corriente solo se requiere en una dirección, "dijo Tansu." Sorprendentemente, las configuraciones de orientación fuertemente controladas no exhiben una conductividad superior; cierto grado de aleatoriedad en la orientación actúa de hecho para mejorar la conductividad de las redes. Este enfoque puede tener un impacto tremendo en la mejora de la propagación de la corriente en los dispositivos optoelectrónicos. específicamente en un emisor ultravioleta profundo con una capa de contacto de tipo p pobre ".
