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  • Le configurazioni di nanocavi casuali aumentano la conduttività rispetto a configurazioni fortemente ordinate

    Reti campione di nanofili Ag per un dominio 140 μm × 140 μm con (a) concentrazione appena al di sopra della concentrazione di percolazione critica (C ~ Cp), e (b) concentrazione molto al di sopra della concentrazione di percolazione critica (C»Cp). La tensione viene applicata attraverso la direzione orizzontale attraverso la lunghezza del dominio. Credito:Tansu, Università di Lehigh

    I ricercatori della Lehigh University hanno identificato per la prima volta che un aumento delle prestazioni nella conduttività elettrica delle reti di nanofili metallici casuali può essere ottenuto limitando leggermente l'orientamento dei nanocavi. Il risultato più sorprendente dello studio è che le configurazioni fortemente ordinate non superano le configurazioni con un certo grado di casualità; la casualità nel caso degli orientamenti dei nanofili metallici agisce per aumentare la conduttività.

    Lo studio, Conduttività di array di nanofili in configurazioni di orientamento casuale e ordinato, è pubblicato nell'attuale numero di Natura il diario di Rapporti scientifici . La ricerca è stata condotta da Nelson Tansu, Daniel E. '39 e Patricia M. Smith Professore con cattedra presso il Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics e Department of Electrical and Computer Engineering, e l'autrice principale Milind Jagota, uno studente di liceo della zona di Betlemme.

    I conduttori trasparenti sono ampiamente necessari per schermi piatti, schermi tattili, celle solari, e diodi luminosi, tra molte altre tecnologie. Attualmente, L'ossido di indio e stagno (ITO) è il materiale più utilizzato per i conduttori trasparenti grazie alla sua elevata conduttività e trasparenza. Però, La tecnologia basata su ITO presenta diversi problemi. Il materiale è scarso, costoso da fabbricare e fragile, una caratteristica particolarmente indesiderabile per qualsiasi cosa venga utilizzata in questa moderna era di elettronica flessibile.

    I ricercatori che cercano un sostituto per ITO utilizzano sempre più reti casuali di nanofili metallici per abbinare ITO sia in trasparenza che con conduttività. Le tecnologie basate su nanofili metallici mostrano una maggiore flessibilità e sono più compatibili con i processi di produzione rispetto ai film ITO. La tecnologia, però, è ancora in una fase iniziale di sviluppo e le prestazioni devono essere migliorate. La ricerca attuale è focalizzata sull'effetto dell'orientamento dell'asta sulla conduttività delle reti per migliorare le prestazioni.

    Mappa a colori 2-D che mostra la tensione ai diversi nodi nel dominio computazionale per array di rete con concentrazione molto più alta della concentrazione di percolazione (C ~ 5 Cp). I punti rappresentano le tensioni in corrispondenza di ciascun nodo. La tensione del bordo sinistro è 10 V, la tensione del bordo destro è 0 V. Credito:Tansu, Università di Lehigh

    In questo lavoro, I ricercatori di Lehigh hanno sviluppato un modello computazionale per la simulazione di reti di nanofili metallici, che dovrebbe accelerare il processo verso l'idealizzazione della configurazione dei nanofili. Il modello prevede i risultati sperimentali esistenti e i risultati computazionali precedentemente pubblicati.

    I ricercatori hanno quindi utilizzato questo modello per estrarre i risultati per la prima volta su come la conduttività delle reti di nanofili metallici casuali è influenzata da diverse restrizioni di orientamento di varia casualità. Sono riportate due diverse configurazioni di orientamento.

    Nel primo, una distribuzione uniforme degli orientamenti nell'intervallo (-θ, ) rispetto a una linea orizzontale viene utilizzata. Nel secondo, viene utilizzata una distribuzione di orientamenti nell'intervallo [-θ] ∪ [θ], anche rispetto ad una linea orizzontale. In ogni caso viene progressivamente ridotto da 90° a 0°. La conducibilità viene misurata sia in direzioni parallele che perpendicolari all'allineamento.

    I ricercatori hanno scoperto che un miglioramento significativo della conduttività parallela alla direzione di allineamento può essere ottenuto limitando leggermente l'orientamento della distribuzione uniforme. Questo miglioramento, però, va a scapito di un calo maggiore della conduttività perpendicolare. La forma generale di questi risultati corrisponde a quella dimostrata dai ricercatori che hanno sperimentato i film di nanotubi di carbonio. Sorprendentemente, si è riscontrato che il secondo caso altamente ordinato non è in grado di superare le reti isotrope per qualsiasi valore di; dimostrando così che configurazioni di orientamento continuo con un certo grado di casualità sono preferibili a configurazioni altamente ordinate.

    La ricerca precedente in questo campo ha studiato gli effetti dell'orientamento sulla conduttività dei compositi di nanotubi di carbonio 3D, trovando che un leggero grado di allineamento migliora la conduttività. Sono stati utilizzati modelli computazionali per studiare come la probabilità di percolazione delle dispersioni casuali di barre 2D è influenzata dall'orientamento delle barre. Altri hanno sviluppato un modello computazionale più sofisticato in grado di calcolare la conduttività delle dispersioni di barre 3D, trovando ancora una volta che un leggero grado di allineamento assiale migliora la conduttività.

    "Le reti di nanofili metallici mostrano un grande potenziale di applicazione in varie forme di tecnologia, " disse Jagota. "Questo modello computazionale, che si è dimostrato accurato grazie alla sua buona corrispondenza con i dati pubblicati in precedenza, ha dimostrato quantitativamente come diverse configurazioni di orientamento possono influire sulla conduttività delle reti di nanofili metallici".

    "La restrizione dell'orientamento può migliorare la conduttività in un'unica direzione di quantità significative, che può essere rilevante in una varietà di tecnologie in cui il flusso di corrente è richiesto solo in una direzione, "disse Tansu. "Sorprendentemente, le configurazioni di orientamento fortemente controllate non mostrano una conduttività superiore; un certo grado di casualità nell'orientamento agisce infatti per migliorare la conducibilità delle reti. Questo approccio può avere un impatto enorme sul miglioramento della diffusione della corrente nei dispositivi optoelettronici, in particolare sull'emettitore di ultravioletti profondi con uno strato di contatto di tipo p scadente."


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