La carta con nanofili di silicio è stata sintetizzata in un forno a induzione verticale ad alta frequenza. La direzione del flusso di gas è contrassegnata dalle linee tratteggiate gialle. I cerchi rossi indicano le posizioni in cui crescono i nanofili di silicio. (d) mostra la sintesi di un elettrodo SiNWsP@ di grafene. Credito:Pang, et al. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) —Nella crescente area di flessibilità, dispositivi elettronici trasparenti, il silicio non ha giocato un ruolo importante. Anziché, materiali come ossido di indio-stagno, nanotubi di carbonio, e altri sono spesso usati per realizzare componenti elettronici pieghevoli.
Ora in un nuovo studio, i ricercatori hanno sintetizzato nanofili di silicio e li hanno intrecciati in una carta che supera molti altri materiali simili alla carta in termini di trasparenza e flessibilità. Poiché l'odierna tecnologia dei circuiti integrati è progettata per il silicio (in forma sfusa), i nanofili di silicio sarebbero molto più compatibili con queste tecnologie esistenti rispetto ad altri materiali, un vantaggio che potrebbe potenzialmente ringiovanire la ricerca sull'elettronica flessibile a base di silicio.
I ricercatori, Chunlei Pang, Hao Cui, Guowei Yang, e Chengxin Wang, presso l'Università Sun Yat-sen (Zhongshan) di Guangzhou, Cina, hanno pubblicato il loro studio sulla flessibilità, trasparente, e carta di nanofili di silicio autoportante (FTS-SiNWsP) in un recente numero di Nano lettere .
"Abbiamo ottenuto la sintesi di carta di nanofili di silicio flessibile trasparente e indipendente, che potrebbe essere una nuova parte della moderna industria dei semiconduttori, " Wang ha detto Phys.org . "La carta al silicio mostra una superiorità maggiore rispetto ad altri materiali semiconduttori inorganici grazie al vantaggio di essere compatibile con l'odierna tecnologia dei circuiti integrati per il silicio sfuso, e ci si può aspettare che soddisfino le esigenze tecnologiche emergenti come i componenti di batterie elettriche trasparenti, espositori avvolgibili, dispositivi indossabili, e così via."
Come spiegano i ricercatori, il silicio sfuso è fragile a temperatura ambiente e diventa duttile solo vicino alla sua temperatura di fusione di circa 1400 °C. In contrasto, il silicio su scala nanometrica possiede una capacità di deformazione molto ampia che consente flessibilità a temperatura ambiente. Però, tessere nanofili di silicio in un materiale simile alla carta è stato impegnativo perché richiede il raggiungimento di un allineamento ad incastro unico utilizzando controlli, metodi di crescita senza catalizzatori.
Qui, i ricercatori hanno sviluppato un metodo semplice per sintetizzare i nanofili di silicio e assemblarli nell'allineamento ad incastro desiderato utilizzando un forno a induzione verticale ad alta frequenza. La polvere di SiO e il gas Ar (che funge da gas di trasporto) vengono soffiati nel forno dove vengono rapidamente riscaldati a circa 1600 °C e mantenuti lì per 1 ora. Il calore provoca la decomposizione della polvere di SiO in SiO 2 vapore e particelle di Si, entrambi i quali sono trasportati dal gas Ar in una zona a bassa temperatura dove si stratificano sotto l'azione della gravità a causa dei loro diversi pesi molecolari.
Come più SiO 2 e Si sono trasportati alle loro posizioni, si nucleano e crescono. Mentre il SiO 2 depositi formano un campione di polvere, le particelle di Si formano nanofili con diametri di circa 10 nm che crescono nella direzione del flusso di gas. Man mano che i nanofili di silicio crescono, si incastrano spontaneamente tra loro per formare un materiale di membrana indipendente. Le immagini al microscopio elettronico a scansione mostrano una superficie altamente porosa, struttura intrecciata, i cui pori possono essere potenzialmente riempiti con altri materiali funzionali per nuove applicazioni. I test hanno anche mostrato che il materiale FTS-SiNWsP aveva un'ottima trasmittanza ottica e poteva piegarsi ripetutamente senza rompersi.
(a) Immagini SEM e (b) TEM della carta con nanofili di silicio. Il riquadro in (a) mostra la struttura cilindrica della carta, che ha un diametro di circa 2 cm. L'inserto in (b) mostra il modello di nanofili. Credito:Pang, et al. ©2013 American Chemical Society
Per dimostrare come questi nanofili di silicio intrecciati possono essere utilizzati per creare elettrodi per batterie ad alte prestazioni, i ricercatori hanno coltivato il grafene all'esterno dei nanofili di silicio in un design core-shell. Il grafene ha anche riempito le lacune del materiale del nanofilo di silicio intrecciato, avvolgendo completamente il materiale. Dopo aver fabbricato batterie agli ioni di litio a bottone utilizzando un film FTS-SiNWsP@graphene come anodo e Li come catodo, i ricercatori hanno dimostrato che queste batterie hanno ottime prestazioni, prestazioni prossime alla loro capacità teorica e mantenendo una capacità superiore a 1000 mAh/g dopo 100 cicli.
Il materiale FTS-SiNWsP ha il potenziale per molte applicazioni oltre agli elettrodi della batteria, come celle solari flessibili, computer indossabili, espositori di carta, e supercondensatori. Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di basarsi su questo metodo di sintesi per sviluppare materiali di carta con nanofili di silicio per soddisfare queste esigenze tecnologiche emergenti.
"Prossimo, abbiamo in programma di svolgere la ricerca applicativa del materiale cartaceo in silicio nelle celle solari, "Ha detto Wang.
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