Formation directe de câblage de nanotubes de carbone à résistance électrique contrôlée sur des films plastiques

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2254 (2023) Citer cet article

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Nous avons développé une méthode simple pour fabriquer un câblage de nanotubes de carbone multi-parois (MWNT) sur un film plastique à température ambiante sous pression atmosphérique. En irradiant un film mince de MWNT enduit sur un film de polypropylène (PP) avec un laser, un câblage conducteur constitué d'un composite de MWNT et de PP peut être directement fabriqué sur le film de PP. La résistance du câblage MWNT fabriqué à l'aide de cette méthode variait de 0,789 à 114 kΩ/cm. En modifiant la vitesse de balayage du laser, nous pourrions fabriquer diverses régions avec différentes résistances par unité de longueur, même au sein d'un seul câblage. Le mécanisme de formation du câblage MWNT avec une résistance accordable a été discuté à partir des résultats expérimentaux, tels que l'observation structurelle microscopique à l'aide de la microscopie électronique à balayage en coupe et de l'imagerie microscopique Raman, et des résultats de simulation, tels que la conduction thermique dans le film pendant le chauffage laser local. Les résultats suggèrent que le câblage MWNT a été formé par diffusion de PP dans MWNT à haute température. Nous avons également démontré que les MWNT excédentaires qui n'étaient pas utilisés pour le câblage pouvaient être récupérés et utilisés pour fabriquer de nouveaux câblages. Cette méthode pourrait être utilisée pour réaliser des dispositifs entièrement en carbone tels que des capteurs flexibles légers, des dispositifs de conversion d'énergie et des dispositifs de stockage d'énergie.

Les dispositifs flexibles entièrement en carbone ont attiré l'attention en tant que dispositifs post-silicium en raison de leur flexibilité, de leur légèreté et de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques1,2,3. Le nanotube de carbone (CNT) est l'un des éléments de construction les plus prometteurs pour les dispositifs flexibles entièrement en carbone en raison de ses propriétés physiques et chimiques intrigantes4. Récemment, en plus des dispositifs CNT sur des substrats rigides5,6, des dispositifs CNT sur des substrats flexibles tels que des films plastiques ont été largement rapportés7,8,9,10,11. Les dispositifs flexibles à base de NTC sont généralement fabriqués selon les étapes suivantes car les substrats flexibles typiques ne sont pas disponibles pour le processus de croissance à haute température12. Tout d'abord, les NTC sont cultivés sur des substrats rigides par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ensuite, les NTC sont modelés par des procédés de lithographie. Enfin, les câblages NTC sont reportés sur un substrat souple13. Cette méthode présente deux problèmes : l'un d'eux est que des processus séquentiels comprenant le processus à haute température et le processus en salle blanche sont nécessaires. L'autre est que puisque la résistance électrique du câblage CNT transféré est déterminée par la résistance des films CNT avant le transfert, pour produire un câblage CNT de différentes valeurs de résistance, des processus de transfert répétés sont nécessaires. Il est donc nécessaire de développer un procédé simple permettant de former des câblages NTC à résistance contrôlée directement sur des substrats plastiques.

Deux méthodes principales de fabrication directe de câblages CNT sur des substrats en plastique, appelées la méthode de transfert direct induit par laser (LIFT)14 et la méthode de fusion thermique (TF)15,16,17,18, ont été rapportées. La méthode LIFT est une technologie dans laquelle un matériau irradié par un laser est transféré sur un substrat cible à proximité, réalisant ainsi une écriture directe du câblage CNT indépendamment des matériaux du substrat19. Les méthodes LIFT peuvent transférer des NTC sur divers substrats tels que l'aluminium, le polyimide, le verre et le quartz par irradiation laser à travers des masques à motifs20,21,22. Dans la méthode LIFT, le contrôle de la résistance des câblages CNT est difficile car il est nécessaire de préparer un matériau donneur avec une résistance différente. De plus, la méthode LIFT nécessite généralement des lasers pulsés coûteux. Dans les méthodes TF, les NTC ont été mélangés à l'avance avec des polymères, notamment du polypropylène (PP), du polycarbonate (PC) et de l'époxy15,16,17,18. Le composite a ensuite été chauffé localement à l'aide d'un laser pour vaporiser sélectivement les polymères. En conséquence, le câblage CNT a été formé. La méthode TF peut contrôler la résistance du câblage CNT sur un substrat flexible en modifiant les conditions du laser. Par exemple, la résistance du câblage CNT a été signalée comme allant de 0,021 à 464 kΩ/cm lorsque les conditions du laser variaient17. Cependant, la méthode TF est problématique car les NTC doivent être mélangés au préalable avec le polymère, et pour cela, une grande quantité de NTC est nécessaire pour fabriquer les câblages. Cela implique que la plupart des NTC du composite ne sont pas utilisés. La méthode TF nécessite un laser de haute puissance pour ablater le polymère.

Du point de vue de la durabilité matérielle, l'utilisation efficace des NTC est attendue, comme le recyclage des donneurs inutilisés dans la méthode LIFT et les NTC intégrés inutilisés dans la méthode TF. Cependant, à notre connaissance, il n'y a eu aucun rapport sur le recyclage des NTC inutilisés dans les méthodes LIFT et TF.

Dans cette étude, pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, une nouvelle méthode de fabrication de câblages CNT, basée sur la méthode LIFT et TF, a été développée. En utilisant cette méthode, les câblages CNT peuvent être directement fabriqués sur des films PP à l'aide d'un laser à semi-conducteur à faible coût à température ambiante (RT) sous pression atmosphérique. La résistance des câblages CNT variait de 0,789 à 114 kΩ/cm lorsque les conditions laser variaient. Il est possible de former des régions alternées à haute et basse résistance dans un seul fil. Le mécanisme de formation du câblage CNT avec une résistance accordable a été discuté à partir des deux résultats expérimentaux, tels que l'observation structurelle microscopique à l'aide de la microscopie électronique à balayage en coupe (XSEM) et de l'imagerie microscopique Raman, et des résultats de simulation, tels que la conduction thermique dans le film pendant le chauffage laser local. La récupération des NTC non utilisés et leur réutilisation comme matières premières pour le câblage des NTC est également démontrée dans cette étude.

La méthode de fabrication proposée est illustrée schématiquement à la Fig. 1. Des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT) dispersés dans l'eau (2,0 % en poids) ont été achetés auprès de Meijo Nano Carbon Co., Ltd., Japon (MW-I). Pour préparer la solution pour le dépôt par pulvérisation, la dispersion de MWNT a été diluée en mélangeant 12 ml de la solution telle que reçue avec 20 ml d'eau déminéralisée (DI). La dispersion a ensuite été versée dans le réservoir de solution d'un pulvérisateur sur mesure23. Films PP [épaisseur 200 µm ; taille 5 × 5 cm; P466-1, (MISUMI Corporation, Japon)] ont été fixés sur la surface d'une plaque chauffante (HP-1SA, AS ONE Corporation, Osaka, Japon) et chauffés à l'air à 70°C. La dispersion de NTC a été pulvérisée sur les films PP chauffés. La zone de pulvérisation était de 120 × 80 mm et deux films PP ont été placés dans cette zone (Fig. 1a). L'épaisseur moyenne des films MWNT était d'environ 10 µm. La figure 1b montre le film MWNT sur le film PP situé sur une platine X-Y motorisée (SGSP20-35, SIGMAKOKI CO., LTD., Japon). Celui-ci a été irradié avec un laser (DL-5146-101S, SANYO Electric Co., Ltd., Japon) (30–66 mW, λ = 405 nm) à différentes vitesses de balayage dans la plage de 5 µm/s–1 mm/s (les schémas du système sont également présentés sur la Fig. S1). Le laser était connecté à une tête avec un contrôleur de température intégré (ALTH-103BC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., LTD., Japon), et un collimateur (ACH-10B, ASAHIDATA SYSTEMS Co. LTD., Japon) était équipé d'un objectif avec une distance focale de 4 mm et une distance de travail de 2,3 mm. Le laser était piloté par un pilote laser (ALP-7033CC, ASAHIDATA SYSTEMS Co., Ltd., Japon). Les films ont ensuite été soniqués (1510J-MT, Yamato Scientific Co., Ltd., Japon) pendant 15 minutes pour éliminer le film MWNT restant, puis soufflés avec du N2 (Fig. 1c, d). La figure 1e montre une photographie d'un câblage MWNT typique fabriqué à l'aide de cette méthode. Toutes les expériences ont été réalisées sous pression ambiante à TA.

Illustration schématique de la fabrication du câblage CNT sur substrat polypropylène. (a) Schéma de la formation de film CNT sur PP. (b) Irradiation laser du film CNT sur PP. (c) Schéma de nettoyage à l'eau DI après irradiation laser et (d) après nettoyage. (e) Câblage CNT fabriqué sur PP sous flexion.

Pour mesurer les propriétés de transport électrique, une pâte Ag (DOTITE D-500, FUJIKURA KASEI Co., Ltd.) a été utilisée pour obtenir un contact ohmique entre les câblages MWNT et les sondes. Un compteur source (2612A, Keithley, OH, USA) et une station de sonde ont été utilisés pour les mesures courant-tension (I-V). La microstructure a été observée à l'aide d'un SEM à émission de champ (SUPRA 40, Carl Zeiss, Jena, Allemagne). La largeur du câblage MWNT a été caractérisée par microscopie optique (HISOMET2, Union Optical Co., LTD., Japon). La résistance en flexion a été mesurée avec des rayons de courbure variant de 4,8 à 16 mm. Pour montrer que la résistance peut être contrôlée en fonction de la vitesse de balayage laser, la distribution de température a été mesurée par thermographie (IRC30, Teledyne FLIR LLC). Une tension de 32 V a été appliquée à l'aide d'une alimentation en courant continu (GPD-2303S, Good Will Instrument Co., Ltd., Taiwan). Les spectres Raman ont été obtenus à l'aide d'un microscope Raman (inVia Reflex, Renishaw plc., Royaume-Uni).

Des simulations de conduction thermique basées sur la méthode des éléments finis (FEM) ont été réalisées à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics. La structure du modèle pour la simulation FEM était une multicouche composée d'un film CNT d'une épaisseur de 20 µm et d'un film PP d'une épaisseur de 200 µm. La conductivité thermique du film CNT et du film PP était de 1,2 et 0,2 W/mK, respectivement. Le laser a été converti en chaleur dans le film CNT et la chaleur a été appliquée au film CNT et PP. Dans cette simulation, au lieu d'un laser, un flux de chaleur gaussien a été appliqué au film CNT. L'écart type de la distribution gaussienne était d'un tiers du diamètre du spot (1340 μm).

Une simulation de chaleur Joule basée sur FEM a également été réalisée à l'aide de COMSOL Multiphysics. La figure S2 montre la structure de l'appareil simulé composée des films PP (hauteur 16 mm, largeur 65 mm) et des câblages MWNT. Un câblage MWNT avec des résistances de 1 et 20 kΩ/cm en un seul fil a été réalisé en ajustant la largeur du câblage.

Dans cette méthode, les MWNT sur un film PP qui n'a pas été irradié par le laser peuvent être gaspillés. Du point de vue de la durabilité des matériaux, il est important de recycler les MWNT non utilisés. Nous avons effectué une démonstration du recyclage à travers la procédure suivante. Tout d'abord, un film MWNT a été préparé sur un film PP en utilisant la procédure décrite ci-dessus. Deuxièmement, les câblages MWNT ont été fabriqués par irradiation laser avec une puissance d'irradiation de 66 mW et une vitesse de balayage de 1 mm/s. Troisièmement, après que le film irradié au laser a été soniqué dans 50 ml d'eau DI pendant 15 min, les câblages MWNT sur le film PP et une solution aqueuse MWNT ont été obtenus. La solution obtenue a été soniquée à l'aide d'un homogénéisateur à ultrasons (FS300N, Shenzhen XinzhiBang Inst & Eq. Co., Ltd., Chine) à une puissance de sortie de 300 W pendant 10 min. Quatrièmement, les propriétés I-V des câblages ont été mesurées. Enfin, une fois ce processus terminé, nous sommes revenus à la deuxième étape de cette procédure et avons fabriqué de nouveaux câblages MWNT sur un nouveau film PP en utilisant la solution MWNT recyclée. La procédure de recyclage a été répétée quatre fois, et nous avons obtenu les résistances des câblages MWNT en fonction du nombre de recyclage.

La figure 2a montre la résistance électrique en fonction du nombre de balayages laser, avec une puissance laser de 66 mW et une vitesse de balayage de 1 mm/s. Les échantillons n'ont pas été soniqués entre les balayages laser. En d'autres termes, les échantillons n'ont été soniqués qu'une seule fois à la fin des multiples balayages laser. Après un seul balayage laser, la résistance était de 14,6 kΩ/cm. La résistance de la zone sans câblage était supérieure à 40 GΩ, qui est la limite de mesure, de sorte que les MWNT n'existaient que dans la zone irradiée par le laser. Il n'y avait pas de MWNT dans d'autres zones. La résistance a diminué avec un nombre croissant de balayages. La résistance était de 14,6 kΩ/cm pour 1 balayage et a diminué à 3,72 kΩ/cm après 10 balayages. Sur 7 scans, les résistances étaient similaires pour chaque valeur. Les images XSEM autour des câblages MWNT sont présentées dans les encarts de la Fig. 2a. Il a été constaté qu'il y avait un plan limite où le contraste changeait clairement (indiqué par les flèches). Les différences, en revanche, peuvent refléter des différences dans les concentrations de MWNT. L'épaisseur de la région brillante, où la concentration de MWNT pouvait être élevée, était d'environ 1,4 μm après 5 balayages et d'environ 4,8 μm après 10 balayages, ce qui indique que l'épaisseur augmente avec le nombre de balayages.

(a) Résistance par cm en fonction du temps d'irradiation laser (puissance laser 66 mW et vitesse de balayage 1 mm/s). Les encarts montrent les images SEM en coupe des échantillons après 5 et 10 scans. Les barres d'échelle sont de 2 μm. (b) Images SEM en vue de dessus et en coupe. Les barres d'échelle sont de 0,5 μm. Résistance par cm en fonction de (c) la vitesse de balayage et (d) la puissance du laser. Les barres d'erreur indiquent les valeurs maximales et minimales.

Pour étudier plus en détail la structure locale de la région brillante, les images SEM ont été observées. La figure 2b montre les images SEM en vue de dessus et les images XSEM agrandies des câblages MWNT après un et cinq balayages. Après un balayage, des nanostructures fibreuses incrustées dans le film ont été observées dans la région brillante, indiquant que les MWNT et le PP étaient mélangés dans le film. Cependant, après cinq scans, les nanostructures fibreuses, qui semblaient être des MWNT, se sont avérées enchevêtrées. Il semble que la concentration relative de PP pour les cinq scans était inférieure à celle d'un scan.

La figure 2c montre la résistance électrique moyenne en fonction de la vitesse de balayage à différentes puissances laser. Pour chaque condition d'irradiation, quelques échantillons ont été préparés et leurs propriétés I-V ont été mesurées. La résistance a diminué avec l'augmentation de la vitesse de balayage et la distribution a suivi une distribution approximative en loi de puissance. Le câblage MWNT présentait une résistance contrôlable de 0,789 à 114 kΩ/cm. La figure 2d montre la résistance électrique moyenne en fonction de la puissance du laser à différentes vitesses de balayage. La résistance a diminué de façon exponentielle avec la puissance du laser. Des échantillons préparés dans les mêmes conditions d'irradiation se sont avérés présenter des résistances du même ordre de grandeur.

Ensuite, la largeur de raie moyenne du câblage MWNT a été mesurée à l'aide d'un microscope optique. La largeur de ligne a été définie comme la longueur de la zone noire perpendiculaire à la direction de balayage laser (voir encadré, Fig. 3a). Des échantillons ont été préparés et mesurés trois fois. La figure 3a montre les largeurs de raie moyennes en fonction de la vitesse de balayage laser pour différents réglages de puissance laser. Les largeurs de raie changeaient rarement avec la vitesse de balayage du laser, sauf à une vitesse de balayage de 1 mm/s. En revanche, les largeurs de raie augmentaient avec la puissance du laser et variaient de 292 à 683 µm selon les conditions du laser. La figure 3b montre la largeur de raie en fonction du nombre de balayages laser pour des puissances laser de 30 et 66 mW à une vitesse de balayage de 1 mm/s. Les largeurs de ligne changeaient rarement avec le nombre de balayages et les largeurs augmentaient avec la puissance du laser.

( a ) Largeur de ligne des câblages MWNT en fonction de la vitesse de balayage laser pour différentes puissances laser. (b) Largeur de ligne des câblages MWNT en fonction du nombre de balayages (vitesse de balayage 1 mm/s). ( c ) Spectres Raman des câblages MWNT pour différentes vitesses de balayage laser. ( d ) Cartographie Raman du rapport G – D des câblages MWNT pour différentes vitesses de balayage avec différentes valeurs de résistance dans un seul fil.

Une analyse Raman a été réalisée pour étudier l'effet de l'irradiation laser sur la cristallinité des MWNT. La figure 3c montre les spectres Raman des câblages MWNT à différentes vitesses de balayage laser et le film MWNT avant l'irradiation laser. Il y avait deux pics caractéristiques24,25 : la bande D (~ 1350 cm-1) et la bande G (~ 1580 cm-1), qui représentent respectivement les défauts et la nature graphitique des liaisons sp2. Le rapport G/D indique la cristallinité des MWNT. Celles-ci ont été estimées à 0,73 pour une vitesse de balayage de 0,05 mm/s, 0,90 pour une vitesse de balayage de 1 mm/s et 0,78 pour les MWNT vierges. Par conséquent, plus la vitesse de balayage est élevée, plus la cristallinité des câblages MWNT est élevée. Par rapport à la cristallinité des MWNT vierges, à des vitesses de balayage plus lentes, la cristallinité s'est avérée légèrement dégradée. Cette tendance suggère que, selon les différentes conditions d'irradiation, l'échauffement local du laser provoque soit une amélioration de la cristallinité, soit la formation de défauts.

La figure 3d montre une image de microscope optique superposée et une cartographie Raman à l'interface des échantillons fabriqués à différentes vitesses de balayage dans un seul câblage. Il a été confirmé que le rapport G/D a changé de manière significative à l'interface où la vitesse de balayage a été commutée. Les câblages MWNT avec des vitesses de balayage plus lentes avaient des rapports G/D plus petits, indiquant une faible cristallinité. Nous pensons que les MWNT ont été oxydés en augmentant la température de surface du MWNT pour une irradiation laser de longue durée, ce qui peut expliquer la relation entre la vitesse de balayage inférieure et la cristallinité inférieure. Bien que les MWNT avec plus de défauts devraient avoir une résistance plus élevée, ce résultat a montré la tendance opposée. Les raisons en ont été considérées comme suit.

La résistance par unité de longueur (R) peut être exprimée sous la forme \(R=\frac{\rho }{wd}\), selon la loi d'Ohm26, où ρ, w et d sont respectivement la résistivité, la largeur et la profondeur du câblage. Les largeurs de ligne étaient indépendantes de la vitesse de balayage et du nombre de balayages laser, comme le montrent les figures 3a et b. D'autre part, comme le montrent les figures 2a et b, l'épaisseur du câblage et la concentration relative de MWNT (c'est-à-dire correspondant à ρ dans le câblage) ont augmenté avec l'augmentation du nombre d'irradiations. Si l'accumulation temporelle d'énergie photonique détermine la fusion thermique des MWNT et des films PP, une augmentation du nombre de scans pourrait être synonyme d'une diminution de la vitesse de balayage. Par conséquent, la résistance du câblage est considérée comme étant principalement déterminée par ρ et d. La raison de la diminution de la résistance du câblage malgré la dégradation de la cristallinité locale pendant le balayage lent pourrait être que la réduction de ρ et l'augmentation de d étaient plus dominantes que la dégradation de la cristallinité locale des MWNT.

Pour étudier le mécanisme de formation des câblages MWNT, des observations XSEM et des simulations de conduction thermique basées sur FEM ont été réalisées. La figure 4a montre une image XSEM du câblage MWNT avec une puissance laser de 66 mW et une vitesse de balayage de 0,05 mm/s. Toutes les zones de la figure 4a sont noires lorsqu'elles sont observées d'en haut. Une couche épaisse, qui semblait être un film MWNT, a été trouvée dans la zone centrale. Sa longueur était supérieure à 200 µm. Des trous submicroniques ont été observés entre les limites du film MWNT à une profondeur de 60 μm. Pour déterminer la distribution des trous, la distribution de densité des trous dans une région d'une largeur de 25 μm et d'une profondeur moyenne de 60 μm a été obtenue à partir des images XSEM. La figure 4b montre la distribution de densité mesurée des trous et l'ajustement de la fonction gaussienne. La pleine largeur à mi-hauteur de la fonction gaussienne est de 264,74 µm et la distribution des trous est cohérente avec la couche MWNT épaisse.

(a) Images XSEM du câblage MWNT (puissance laser 66 mW, vitesse de balayage 0,05 mm/s). ( b ) Distribution de la densité des trous dans le PP. ( c ) Distribution de température dans PP simulée avec COMSOL Multiphysics. ( d ) Images SEM en vue de dessus et spectres Raman du câblage MWNT avec une puissance laser de 66 mW et une vitesse de balayage de 0, 05 mm / s du centre au bord du câblage. A, B et C indiquent respectivement le centre, le milieu et le bord du câblage MWNT. Les barres d'échelle sont de 0,5 μm. (e) Mécanisme de formation spéculé des câblages MWNT.

Il a été rapporté que des trous se forment lorsque les films plastiques autoportants sont chauffés, et le nombre de trous augmente avec la température27. Par conséquent, la couche épaisse de MWNT a été considérée comme une région à haute température. La distribution de température du film sous irradiation laser a été étudiée à l'aide du FEM. La figure 4c montre une distribution de température superposée à la limite de la couche MWNT et PP et la distribution de température du film. La chaleur est préférentiellement conduite dans le sens horizontal plutôt que dans le sens vertical car la conductivité thermique est plus élevée pour les films MWNT que pour le PP. La température autour de la surface de l'ensemble était plus élevée que celle du film. Ceci est cohérent avec la distribution du nombre de trous, indiquant que la région avec une couche épaisse de MWNT est une région à haute température.

La figure 4d montre les images SEM en vue de dessus et les spectres Raman du câblage MWNT, dont les conditions d'irradiation étaient la puissance laser de 66 mW et la vitesse de balayage de 0,05 mm/s, au centre (A), au milieu (B) et aux positions de bord (C) du câblage. La distance entre chaque position était d'environ 100 µm. Bien que les MWNT aient été clairement observés dans la région centrale, dans la région médiane, une structure dans laquelle certains MWNT étaient enfouis dans le film PP a été observée. Dans la région du bord, de nombreux MWNT étaient intégrés dans le film PP. D'autre part, les rapports G/D des spectres Raman étaient presque constants dans les régions observées.

Le PP diffuse largement dans le film MWNT car le PP haute température a un coefficient de diffusion élevé28. Par conséquent, autour de la région centrale, l'épaisseur de la couche composite MWNT – PP a été augmentée, comme le montre la figure 4a. De plus, une grande quantité de PP a été supposée être évaporée, entraînant une exposition des MWNT. Pendant ce temps, étant donné que la température diminue dans la région proche du bord, l'épaisseur de la région de fusion est considérée comme plus mince en raison du coefficient de diffusion inférieur du PP. Le film enfoui de MWNT dans le PP s'est formé parce que la quantité de PP évaporé a diminué à une température plus basse. Dans ce cas, la différence de température à différents endroits affectait rarement la cristallinité des MWNT. Cependant, cela a affecté la diffusion et l'évaporation du PP.

En résumé, le mécanisme de formation des câblages MWNT peut être considéré comme suit. Comme le montre la figure 4e, le film MWNT est irradié par un laser et génère de la chaleur car les MWNT ont une efficacité de conversion photothermique élevée29. Les conductivités thermiques du film MWNT et du PP étaient respectivement de 15 et 0,180 W/mK30,31. Ainsi, la chaleur conduit préférentiellement dans la direction horizontale, ce qui entraîne des températures élevées à l'interface MWNT-PP et des températures basses dans les films PP. Le PP à haute température s'est diffusé dans le film MWNT. Au centre du laser, qui est la région à haute température, une grande quantité de PP diffuse dans le film MWNT. Cependant, au bord du laser, où la température est plus basse, une petite quantité de PP diffuse dans le film MWNT. Le PP diffusé dans le film MWNT forme une couche composite PP/MWNT. Ainsi, un composite PP/MWNT épais a été formé au centre du laser, tandis qu'un composite PP/MWNT mince a été formé au bord du laser. Au fur et à mesure que la puissance du laser augmentait, l'épaisseur du composite PP/MWNT augmentait, ce qui peut avoir diminué la résistance en raison du grand nombre de MWNT dans la couche épaisse de MWNT.

Nous avons constaté que la résistance du câblage MWNT peut être modifiée en contrôlant les conditions du laser. Pour visualiser le changement de résistance dans le câblage, une tension a été appliquée à un câblage à une vitesse de balayage variable, et la distribution de température a été mesurée à l'aide de la thermographie. La figure 5a montre le schéma, la photographie, l'image thermographique et l'image de simulation. La température augmente à cause du chauffage Joule dans la région où la vitesse de balayage laser est rapide. Ce résultat est cohérent avec les résultats de la simulation. Il a été démontré que des fils avec des valeurs de résistance différentes peuvent être formés en modifiant simplement la vitesse de balayage laser.

(a) Carte de température des câblages MWNT et résultat de la simulation avec photographie et schéma. (b) Valeurs R/R0 avec différents rayons de courbure. R0 est la résistance initiale. (c) Essai de pliage répété avec un rayon de courbure de 9,5 mm. (d) Résistance au cm en fonction du nombre de recyclages.

La figure 5b montre le rapport de la résistance (R) du câblage MWNT sous flexion et de la résistance (R0) à plat en fonction du rayon de courbure. La résistance du câblage MWNT est restée constante dans des conditions de flexion. Pour étudier la fiabilité du câblage MWNT, un test de flexion répété a été effectué. Le film a été plié 1000 fois avec un rayon de courbure de 9,5 mm. Comme le montre la figure 5c, la résistance du câblage MWNT est restée constante même après 1000 cycles de flexion, ce qui indique que le câblage est très fiable sans dégradation structurelle due à la flexion. Le câblage MWNT fabriqué a fait preuve de flexibilité. Il a été rapporté que les composites MWNT et polymères varient en résistance sous flexion car la matrice polymère est étirée, augmentant la distance MWNT-MWNT et diminuant le nombre de chemins conducteurs, entraînant une diminution de la résistance32,33,34. La résistance constante des câblages MWNT sous flexion peut être attribuée à la forte densité de MWNT dans la couche composite MWNT-PP. Comme le montre la figure 2b, la couche composite PP/MWNT formait un film MWNT dense et aléatoire. Lorsque le câblage MWNT était plié, la matrice était étirée, tandis que le nombre de chemins conducteurs ne changeait pas en raison de la zone de contact importante entre le MWNT et les MWNT – MWNT. Par conséquent, il a été conclu que la résistance du câblage ne changeait pas sous la flexion.

Ensuite, nous avons démontré le recyclage des MWNT inutilisés sur des films PP. Nous avons fabriqué des solutions aqueuses de MWNT à partir des MWNT inutilisés, qui se trouvent sur la zone non irradiée par le laser. La solution de MWNT récupérée a été réutilisée pour la pulvérisation. La figure 5d montre la résistance des MWNT en fonction du nombre de recyclages. La résistance du câblage MWNT fabriqué à l'aide de la méthode décrite est restée presque constante jusqu'à un facteur de quatre. Il a été démontré que cette méthode peut réduire le nombre de MWNT utilisés et peut les utiliser plus efficacement que les méthodes de fusion thermique conventionnelles.

Dans cette étude, la formation de câblages MWNT a été démontrée en déposant par pulvérisation des MWNT sur un film PP et en les irradiant avec un laser. Les câblages MWNT fabriqués présentaient une résistance contrôlable allant de 0,789 à 114 kΩ/cm, selon les conditions du laser. La largeur de raie ne dépendait pas de la vitesse de balayage du laser, mais de l'intensité du laser. L'observation XSEM du câblage MWNT a révélé qu'une couche épaisse de MWNT s'était formée au centre du câblage MWNT. De plus, la formation d'un trou sous la couche épaisse de MWNT et les résultats de la simulation indiquent que la couche épaisse de MWNT était une région à haute température. Par conséquent, il a été conclu que la diffusion de PP à haute température dans le film MWNT formait une couche épaisse de MWNT, entraînant une diminution de la résistance.

Les câblages MWNT fabriqués à l'aide de la méthode décrite n'ont montré aucun changement de résistance sous flexion. Les MWNT qui n'étaient pas utilisés pour le câblage pouvaient être facilement recyclés et la résistance n'a pas changé après le recyclage. Les câblages MWNT fabriqués sont flexibles, nécessitent une faible utilisation de MWNT et peuvent être fabriqués directement sur PP avec une résistance contrôlable sous une atmosphère sans vide. Cette technologie pourrait être utilisée pour fabriquer des câblages en carbone et des dispositifs en carbone pour des capteurs flexibles, qui devraient devenir populaires sur les marchés à grande échelle.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été en partie financé par Grant-in-Aid for Scientific Research (C)(22K04880) de la Japan Society for the Promotion of Science, MEXT. Ce travail a été en partie soutenu par "Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)" du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT). Numéro de proposition JPMXP1222NM0102. Nous tenons à remercier Editage (www.editage.com) pour l'édition en anglais.

Département d'électronique appliquée, École supérieure d'ingénierie avancée, Université des sciences de Tokyo, Katsushika, Tokyo, 125-8585, Japon

Hiroaki Komatsu, Takahiro Matsunami, Yosuke Sugita et Takashi Ikuno

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Correspondance avec Takashi Ikuno.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Komatsu, H., Matsunami, T., Sugita, Y. et al. Formation directe de câblage de nanotubes de carbone à résistance électrique contrôlée sur des films plastiques. Sci Rep 13, 2254 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

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Reçu : 16 décembre 2022

Accepté : 07 février 2023

Publié: 08 février 2023

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

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