I dispositivi elettronici con touchscreen sono onnipresenti, e un elemento chiave della tecnologia li rende possibili:conduttori trasparenti. Però, il costo e le limitazioni fisiche del materiale di cui sono solitamente fatti questi conduttori stanno ostacolando il progresso verso dispositivi touchscreen flessibili.

Fortunatamente, una collaborazione di ricerca tra l'Università della Pennsylvania e la Duke University ha mostrato un nuovo modo di progettare conduttori trasparenti utilizzando nanofili metallici che potrebbero consentire touchscreen meno costosi e flessibili.

La ricerca è stata condotta dalla studentessa laureata Rose Mutiso, la laureanda Michelle Sherrott e la professoressa Karen Winey, tutto il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science. Hanno collaborato con lo studente laureato Aaron Rathmell, e il professore Benjamin Wiley del Dipartimento di Chimica della Duke.

Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano .

L'attuale materiale standard del settore per la realizzazione di conduttori trasparenti è l'ossido di indio e stagno, o ITO, che viene depositato come due strati sottili su entrambi i lati di un film separatore. Contatto, sotto forma di polpastrello o stilo, cambia la resistenza elettrica tra i due strati ITO in modo tale che il dispositivo possa registrare il punto in cui l'utente sta toccando. Sebbene questo materiale funzioni bene, i suoi svantaggi hanno portato i ricercatori industriali e accademici a cercare alternative.

"Ci sono due problemi con ITO; l'indio è relativamente raro, quindi il suo costo e la sua disponibilità sono irregolari, e, ancora più importante per i dispositivi flessibili, è fragile, " ha detto Winey. "Vorremmo realizzare touchscreen che utilizzino una rete di sottili, nanofili flessibili, ma prevedere e ottimizzare le proprietà di queste reti su nanoscala è stata una sfida".

I nanofili metallici sono sempre più economici da realizzare e depositare; sono sospesi in un liquido e possono essere facilmente verniciati o spruzzati su un supporto flessibile o rigido, piuttosto che cresciuto nel vuoto come nel caso di ITO. La sfida nasce dal fatto che questo processo forma una rete casuale, piuttosto che uno strato uniforme come ITO.

La qualità complessiva di un foglio uniforme in questo contesto dipende solo da due parametri, entrambi i quali possono essere derivati ​​in modo affidabile dalle proprietà del materiale sfuso:la sua trasparenza, che dovrebbe essere alto, e la sua resistenza elettrica complessiva, che dovrebbe essere basso. Per determinare le proprietà elettriche di una rete di nanofili, però, bisogna conoscere la lunghezza e il diametro dei nanofili, l'area che coprono e una proprietà nota come resistenza di contatto, che è la quantità di resistenza che risulta dagli elettroni che viaggiano da un filo all'altro. I dettagli di come questi quattro parametri indipendenti influiscono sulle proprietà elettriche e ottiche delle reti di nanofili non sono stati chiari.

"Ciò significa che le persone sintetizzeranno nanofili, depositarli in una rete, misurare la resistenza elettrica complessiva della rete e le proprietà ottiche e poi rivendicare la vittoria quando ne ottengono una buona, " disse Winey. "Il problema è che non sanno perché i buoni sono buoni, e, peggio, non necessariamente sanno perché i cattivi sono cattivi".

Per esempio, una bassa resistenza complessiva potrebbe essere il risultato di un particolare metodo di sintesi che ha prodotto alcuni nanofili inaspettatamente lunghi, o un metodo di elaborazione che riduce la resistenza di contatto tra i nanofili. Senza un modo per isolare questi fattori, i ricercatori non possono determinare quale combinazione di parametri avrà più successo.

Il gruppo di Winey ha precedentemente lavorato sulla simulazione di reti di nanocavi in ​​nanocompositi tridimensionali, in particolare il numero di nanofili necessari per garantire che ci sia un percorso connesso da un'estremità all'altra del sistema. Duke's Wiley ha preso nota di questo lavoro e ha contattato Winey, chiedendole se fosse interessata a sviluppare simulazioni bidimensionali che potrebbero essere applicate ai dati provenienti da reti di nanofili d'argento che il suo gruppo aveva fabbricato.

Con il gruppo di Wiley in grado di fornire la lunghezza del nanofilo, diametro e frazione di area delle loro reti, Il team di Winey è stato in grado di utilizzare la simulazione per lavorare a ritroso dalla resistenza elettrica complessiva della rete per scoprire la sfuggente resistenza di contatto. I metodi alternativi per trovare la resistenza di contatto sono laboriosi e incompatibili con i tipici metodi di elaborazione di rete.

"Una volta che abbiamo resistenze di contatto affidabili e pertinenti, possiamo iniziare a chiederci come possiamo migliorare la resistenza complessiva del foglio modificando le altre variabili, " disse Mutiso. "Giocando con questa simulazione, possiamo vedere quanto migliorano le nostre reti quando aumentiamo la lunghezza dei nanofili, Per esempio."

La simulazione del team Penn fornisce ulteriori prove del ruolo di ciascuna variabile nelle prestazioni complessive della rete, aiutando i ricercatori a trovare il giusto equilibrio di tratti per applicazioni specifiche. Aumentando l'area di copertura dei nanofili, Per esempio, diminuisce sempre la resistenza elettrica complessiva, ma diminuisce anche la trasparenza ottica; man mano che sempre più nanofili vengono accatastati sulle reti appaiono grigie, piuttosto che trasparente.

"Per applicazioni specifiche e diversi tipi di nanofili, la frazione dell'area ottimale sarà diversa, " ha detto Winey. "Questa simulazione ci mostra quanti nanofili dobbiamo applicare per raggiungere la zona di Riccioli d'oro dove si ottiene il miglior mix di trasparenza e resistenza".

Le future collaborazioni tra il team di Winey alla Penn e il gruppo Wiley alla Duke utilizzeranno questa simulazione per testare l'effetto di diverse tecniche di elaborazione sui nanofili, individuando l'effetto che vari metodi di elaborazione post-deposizione hanno sulla resistenza al contatto e, in definitiva, sulla resistenza complessiva del foglio.

"Ora possiamo fare confronti razionali tra fili diversi, così come diversi metodi di lavorazione per diversi fili, per trovare la resistenza di contatto più bassa indipendentemente dalla lunghezza del nanofilo, diametro e frazione di area, " disse Winey. "Ora che sappiamo dove sono tutte le leve, possiamo iniziare ad adattarli uno alla volta".

Nella prossima generazione di studi di modellazione, il team Penn prenderà in considerazione diversi parametri aggiuntivi che tengono conto delle prestazioni delle reti di nanofili per conduttori trasparenti, compreso l'orientamento dei nanocavi, per imitare le reti di nanofili prodotte da vari metodi di deposizione continua, così come il grado in cui i singoli nanofili variano in lunghezza o diametro.