طلای فوقنازک برای فناوریهای پوشیدنی و انعطافپذیر
پژوهشگران موفق به ساخت فیلمی پیوسته از طلا با ضخامت تنها ۱.۵ نانومتر شدهاند که هم شفاف و رساناست و هم میتواند بارها خم شود. این فناوری که روی ویفر ۶ اینچی نیز آزمایش شده، میتواند کاربردهایی در نمایشگرهای انعطافپذیر، فناوریهای پوشیدنی، مدیریت حرارتی و رابطهای زیستی داشته باشد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران با استفاده از یک بستر مسی فوقصاف و روشی تازه برای انتقال فیلم، موفق به ساخت لایهای پیوسته از طلا با ضخامت تنها ۱.۵ نانومتر شدهاند؛ لایهای که در عین برخورداری از رسانایی الکتریکی، شفافیت و انعطافپذیری بالایی دارد. این فناوری که در مقیاس ویفر ۶ اینچی نیز به نمایش گذاشته شده است، میتواند راه را برای تولید نمایشگرهای انعطافپذیر، سامانههای مدیریت حرارتی و رابطهای زیستی منطبق با پوست هموار کند.
این مطالعه که در مجله Advanced Science منتشر شده، از ترکیب یک قالب مسی فوقصاف و یک فرایند انتقال مبتنی بر پلیمر بهره میگیرد. پژوهشگران با این روش توانستهاند فیلم طلای پیوستهای با ضخامت تنها ۱.۵ نانومتر تولید کنند و در آزمایشی جداگانه نیز ساخت این فیلم را در مقیاس ویفر ۶ اینچی نشان دهند.
اهمیت این دستاورد در آن است که فیلم طلا پس از رشد روی بستر مسی، میتواند از آن جدا شده و به سطحی دیگر منتقل شود. به این ترتیب، سطحی که برای رشد مناسب فیلم انتخاب شده است، الزاماً همان سطحی نیست که در محصول نهایی مورد استفاده قرار میگیرد. این ویژگی میتواند آزادی عمل بیشتری برای طراحی ادوات انعطافپذیر و زیستی فراهم کند.
مس پیشتر نیز بهعنوان بستری مناسب برای رشد لایههای فوقنازک طلا شناخته شده بود، اما زبری سطح آن یک محدودیت جدی ایجاد میکرد. در فرایندهای قبلی، مس تبخیرشده به دلیل ساختار دانهای خود دارای ناهمواریهایی در مقیاس نانو بود. از آنجا که فیلم طلای فوقنازک از توپوگرافی سطح زیرین پیروی میکند، این ناهمواریها میتوانستند پیوستگی لایه را در ضخامتهای بسیار پایین مختل کنند.
پژوهشگران برای حل این مشکل، ابتدا مس را روی سیلیکون تکبلوری رشد دادند و سپس آن را از سطح سیلیکون جدا کردند. این فرایند، یک فویل مسی مستقل ایجاد میکند که سطح تماس آن با سیلیکون بسیار صاف است. استفاده از چنین سطحی به طلا اجازه میدهد پیش از آنکه ناهمواریهای سطحی موجب گسستگی لایه شوند، به ضخامتهای بسیار پایین برسد.
در مرحله بعد، طلا روی این قالب مسی رشد داده شد و یک لایه پلیمری برای پشتیبانی از فیلم به آن افزوده شد. سپس مس زیرین حل شد و فیلم طلا آزاد شد. این فرایند دو نیاز متضاد را از یکدیگر جدا میکند: طلا میتواند روی سطحی بهینه برای رشد یکپارچه تشکیل شود، اما پس از تولید میتواند روی شیشه، پلاستیک، الاستومر یا سایر بسترهای موردنظر قرار گیرد.
این قالب مسی در واقع از دو مسیر به تشکیل فیلم پیوسته کمک میکند. از یک سو، برهمکنش قوی طلا و مس باعث میشود اتمهای طلا تمایل بیشتری به رشد لایهبهلایه داشته باشند و کمتر به شکل تودهها و جزایر سهبعدی تجمع کنند. از سوی دیگر، صافی بسیار بالای سطح مس مانع از آن میشود که پستیوبلندیهای نانومقیاس، پیوستگی فیلمی با ضخامت تنها چند نانومتر را مختل کنند. شبیهسازیهای دینامیک مولکولی نیز این تفاوت را در مقیاس اتمی تأیید کردند و تصاویر میکروسکوپی نشان دادند که طلا روی مس آمادهشده بهصورت پیوسته باقی میماند، در حالی که روی برخی سطوح دیگر به شکل شبکهها یا جزایر جدا از هم تشکیل میشود.
یکی از نتایج قابلتوجه این پژوهش، حفظ پیوستگی فیلم پس از انتقال است. نازکترین فیلم ساختهشده توانست حداکثر عبوردهی نوری ۸۶.۶ درصد را نشان دهد. در مقابل، نمونههای ضخیمتر مقاومت سطحی پایینی داشتند که نشاندهنده توانایی مناسب آنها برای عبور جریان الکتریکی است. پاسخ نوری این فیلمها نیز همچنان ویژگیهای یک فلز پیوسته را نشان میداد، نه رفتاری مشابه مجموعهای از نانوذرات جدا از هم.
انعطافپذیری فیلم نیز در آزمایشها مورد بررسی قرار گرفت. یک نمونه انعطافپذیر پس از ۱۰۰۰ چرخه خمشدن، تقریباً همان مقاومت الکتریکی اولیه خود را حفظ کرد. این نتیجه نشان میدهد که رسانای طلایی منتقلشده میتواند در برابر تغییر شکلهای مکانیکی مکرر مقاومت کند؛ ویژگیای که برای فناوریهای پوشیدنی و ادوات انعطافپذیر اهمیت زیادی دارد.
پژوهشگران برای نشاندادن ظرفیتهای این فناوری، آن را در چند کاربرد متفاوت آزمایش کردند. در دیودهای نورگسیل آلی یا OLED، فیلم طلای فوقنازک بهعنوان آند شفاف مورد استفاده قرار گرفت. در ولتاژ اعمالی یکسان، نمونههایی که از الکترود طلایی استفاده میکردند، در آزمایشهای گزارششده روشنایی بیشتری نسبت به نمونههای مجهز به اکسید قلع ایندیوم تجاری یا ITO داشتند. پژوهشگران این عملکرد را به تزریق مناسبتر بار الکتریکی و صافی بالای سطح الکترود نسبت دادند. البته این آزمایش، بازده کلی یا طول عمر کاری را بررسی نکرده است و بنابراین نمیتوان بر اساس آن برتری کلی طلا نسبت به ITO را نتیجه گرفت.
در آزمایشی دیگر، فیلم طلا به شکل یک آرایه OLED انعطافپذیر و قابلآدرسدهی الگودهی شد. این آزمایش نشان داد که فناوری پیشنهادی تنها در یک نمونه ساده و بدون ساختار کاربرد ندارد، بلکه میتواند فرایند انتقال در ابعاد بزرگ، الگودهی و یکپارچهسازی با ادوات واقعی را نیز پشت سر بگذارد.
ویژگی دیگری که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفت، رفتار حرارتی فیلم بود. اگرچه این فیلمها در محدوده مرئی همچنان شفاف باقی میماندند، میتوانستند میزان تابش حرارتی دریافتشده توسط دوربین فروسرخ را کاهش دهند. در دمای واقعی یکسان، ماده صافتر توانست دمای ظاهری ثبتشده را در مقایسه با فیلمهای طلای زبرتر قبلی گروه حدود ۳۰ درصد کاهش دهد. این ویژگی میتواند در سامانههای کنترل و مدیریت حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
اما شاید یکی از جالبترین کاربردهای آزمایششده، استفاده از این فیلم در تماس مستقیم با پوست باشد. پژوهشگران الکترودهای طلایی را مستقیماً روی ساعد منتقل کردند و از آنها برای ثبت فعالیت قلب و عضلات استفاده کردند. در اندازهگیریهای گزارششده، این الکترودها نسبت به الکترودهای تجاری نقره/کلرید نقره، نسبت سیگنال به نویز بالاتری نشان دادند. اگرچه امپدانس سطح مشترک پوست و الکترود طلا بیشتر بود، پژوهشگران احتمال میدهند انطباق بهتر فیلم فوقنازک با سطح پوست به بهبود کیفیت سیگنال کمک کرده باشد.
با این حال، پژوهشگران تأکید میکنند که سازوکار دقیق این بهبود هنوز بهطور مستقل تفکیک و اثبات نشده و نتایج فعلی نیز برتری بالینی این الکترودها را نشان نمیدهد. آنچه این آزمایش اثبات میکند، امکان ثبت مؤثر سیگنالهای الکتروفیزیولوژیک با استفاده از فیلم طلای منتقلشده است.
به نقل از نانو ایران، با وجود این پیشرفت، فناوری هنوز به تولید یک تکلایه طلای قابلانتقال در مقیاس اتمی نرسیده و فیلمهای تولیدشده همچنان ساختاری چندبلوری دارند. استفاده از رابطهای پایدارتر برای پشتیبانی از فیلم میتواند امکان کاهش بیشتر ضخامت را فراهم کند. همچنین، کنترل بهتر قالبهای مسی ممکن است به کاهش پراکندگی در مرز دانهها و بهبود عملکرد الکتریکی منجر شود.
با این حال، پیام اصلی این پژوهش روشن است: سطحی که امکان تولید یک فلز فوقنازک را فراهم میکند، دیگر الزاماً نباید محل استفاده نهایی آن باشد. همین جداسازی میان مرحله رشد و مرحله کاربرد، میتواند یکی از موانع مهم توسعه فلزات فوقنازک برای نسل آینده تجهیزات انعطافپذیر، نمایشگرها، سامانههای حرارتی و رابطهای زیستی را برطرف کند.
