Matrici flessibili di grafite CNT trasferite sulla superficie di una foglia viva e sulla superficie di un cervo volante. I sensori possono essere utilizzati per rilevare agenti di guerra chimica o monitorare le condizioni ambientali. Credito:Lee, et al. ©2014 American Chemical Society
(Phys.org) — L'elettronica a base di carbonio viene ampiamente esplorata grazie alle sue interessanti proprietà elettriche e meccaniche, ma sintetizzarli in grandi quantità a basso costo è ancora una sfida.
Ora in un nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per sintetizzare interi dispositivi elettronici integrati interamente al carbonio, compresi i transistor, elettrodi, interconnessioni, e sensori, in un unico passaggio, semplificando notevolmente la loro formazione. I dispositivi elettronici economici possono quindi essere fissati a un'ampia varietà di superfici, comprese le piante, insetti, carta, Abiti, e la pelle umana.
I ricercatori, Kyongsoo Lee, et al., presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) nella città metropolitana di Ulsan, Corea del Sud, e il Korea Electrotechnology Research Institute di Changwon, Corea del Sud, hanno pubblicato un articolo sul nuovo metodo di sintesi in un recente numero di Nano lettere .
Il nuovo approccio sfrutta le geometrie atomiche uniche del carbonio per sintetizzare interi array di dispositivi elettronici, in particolare transistor a nanotubi di carbonio, sensori di nanotubi di carbonio, ed elettrodi di grafite.
"I nostri dispositivi interamente in carbonio (transistor e sensori) sono composti da (i) nanotubi di carbonio (come canali) e (ii) grafite (come elettrodi), " coautore Jang-Ung Park, Professore assistente all'UNIST, detto Phys.org . "La parte del canale richiede materiali semiconduttori la cui resistenza può essere controllata in modo sensibile dalla polarizzazione esterna. La parte dell'elettrodo necessita di materiali metallici la cui resistenza è molto piccola con il cambiamento trascurabile dovuto alla polarizzazione esterna".
Come ha spiegato Park, le diverse proprietà dei nanotubi e della grafite sono dovute alle loro diverse strutture di legame.
(a) L'array di sensori CNT-grafite (a sinistra) su una superficie solida e (a destra) che galleggia sull'acqua. (b) Fotografie della serie di sensori trasferite su un'unghia, una maschera antiparticolato, un manicotto protettivo del braccio, un nastro adesivo, e un foglio di giornale. Barre della scala:1 cm. Credito:Lee, et al. ©2014 American Chemical Society
"Sia i nanotubi di carbonio che la grafite sono carbonio, " ha detto. "A seconda della struttura di legame del carbonio, i nanotubi di carbonio possono esibire proprietà semiconduttive e la grafite può mostrare proprietà metalliche. Abbiamo progettato più catalizzatori per sintetizzare localmente i nanotubi di carbonio e la grafite con le strutture desiderate dei dispositivi elettronici. In questo modo, i dispositivi interamente in carbonio possono essere sintetizzati."
I dispositivi risultanti dimostrano buone prestazioni, con i transistor operanti con un elevato rapporto on-off superiore a 10 3 . Per dimostrare la flessibilità dei dispositivi, i ricercatori hanno trasferito i sensori direttamente sulla superficie curva di una fibra ottica con un raggio di 100 µm, dove i sensori hanno continuato a funzionare normalmente.
I dispositivi elettronici possono anche essere integrati su varie superfici tramite le forze di van der Waals. Per esempio, dopo aver bagnato i transistor e i sensori, i ricercatori hanno dimostrato che possono essere attaccati alla foglia di una pianta di bambù viva e all'epidermide di un cervo volante vivo. I ricercatori hanno anche dimostrato che i sensori potrebbero essere montati sulle superfici di un'unghia, una maschera antiparticolato, un manicotto protettivo del braccio, nastro adesivo, e giornale.
L'ampia applicazione dell'elettronica interamente in carbonio negli ambienti esterni potrebbe essere utile per una serie di motivi. Qui i ricercatori mostrano che i sensori possono rilevare livelli molto bassi di vapore DMMP, che viene utilizzato per la produzione di agenti nervini come soma e sarin. I sensori potrebbero essere utilizzati anche per monitorare le condizioni ambientali, compresa la temperatura, umidità, inquinamento, e infezioni. Tutto questo può essere fatto senza una fonte di alimentazione a bordo.
"Abbiamo integrato le antenne con i nostri dispositivi, "Park ha detto. "Così, il trasporto wireless di alimentazione e segnali di rilevamento era possibile senza batteria."
Grazie alla loro buona adesione alle superfici non planari dei biomateriali, l'elettronica interamente in carbonio ha il potenziale per l'uso come dispositivi bioimpiantabili, anche. I ricercatori hanno in programma di esplorare ulteriormente le potenziali applicazioni in futuro.
"In questo documento, abbiamo appena dimostrato la rilevazione del gas nervino utilizzando i dispositivi biocompatibili, " Park ha detto. "Come la nostra ricerca futura, svilupperemo vari sistemi di rilevamento, compreso il diabete, inquinamento e radioattività, utilizzando i dispositivi elettronici indossabili."
© 2014 Phys.org