Las películas de CNT muestran ventajas de conductividad mediante la inclusión de NP de metal

Debido a su conductividad y deformabilidad superiores, se espera que las capas conductoras flexibles se utilicen en dispositivos electrónicos elásticos. En un estudio publicado en Informes científicospreparó cuatro tipos de láminas conductoras estirables combinando nanopartículas metálicas en la superficie de nanotubos de carbono y dispersándolas en un marco de polidimetilsiloxano.

Estudio: Modelado y caracterización de la conductividad eléctrica de nanopartículas metálicas/nanotubos de carbono/compuestos poliméricos. Crédito: Rost9/Shutterstock.com

Mantenimiento de la flexibilidad de los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNT) se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos, transductores, sensores y biomateriales debido a sus excepcionales propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Se han investigado a fondo varios compuestos conductores estirables basados ​​en nanotubos de carbono y polímeros flexibles como el polidimetilsiloxano (PDMS).

La clave para producir compuestos poliméricos elásticos con alta conductividad radica en el desarrollo de un marco de cableado de nanotubos de carbono en una matriz polimérica virtualmente aislada. El aumento de la concentración de CNT de los compuestos poliméricos normalmente puede aumentar su conductividad, pero en última instancia disminuirá su flexibilidad.

Aumentar la conductividad de los nanotubos de carbono en lugar de aumentar su cantidad es una técnica más beneficiosa para mantener la flexibilidad del material compuesto.

Garantizar una alta conductividad de los nanotubos de carbono para una buena flexibilidad

Hasta el momento, se han publicado numerosos estudios sobre el aumento de la conductividad de nanotubos de carbono/compuestos poliméricos a nanoescala. Agregar nanopartículas metálicas (NP) a la columna vertebral del polímero es una de varias técnicas para aumentar la conductividad del compuesto.

Otra forma viable de aumentar la conductividad de un sistema de nanotubos de carbono es recubrirlo con una aleación altamente conductiva o partículas metálicas (como oro y cobre). Desafortunadamente, el oro es demasiado caro para un uso escalable.

Por otro lado, el cobre es significativamente más económico, pero es difícil controlar el tamaño de sus nanopartículas (< 50 nm) y se oxida fácilmente. La cantidad de oro utilizada para sintetizar la aleación de oro-cobre (AuCu) se puede reducir manteniendo el mismo porcentaje de cobertura.

El tamaño de las nanopartículas de níquel sintetizadas en CNT se puede controlar con precisión. Solo un número suficiente de nanopartículas metálicas depositadas en la superficie del CNT puede garantizar una buena conductividad del sistema de nanotubos de carbono.

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Representación esquemática de (a) procesos de fabricación de Au/CNT y AuCu/CNT, (b) procesos de fabricación de Ni/CNT, (c) procesos de fabricación de Cu/CNT y (d) procesos de fabricación de películas de metal/CNT/PDMS. © Wang, Y., Lu, S. et al. (2022).

metodologia de investigacion

Este estudio fusionó NP de aleación de níquel, oro, cobre y AuCu en la superficie de los nanotubos de carbono. A continuación, el metal/CNT resultante se diseminó en una matriz de polidimetilsiloxano para producir una hoja compuesta elástica de metal/CNT/PDMS.

Se utilizaron difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de efecto túnel con prueba anular de campo oscuro de ángulo alto (HAADF-STEM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) para analizar la arquitectura de la microescala. muestras

La conductividad eléctrica de los compuestos resultantes se determinó utilizando un enfoque de cuatro puntos. Las láminas elásticas de metal/CNT/PDMS mostraron una conductividad eléctrica aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que las láminas elásticas de CNT/PDMS.

Se utilizó un marco computacional basado en los métodos de Metropolis y la teoría de la percolación para estudiar el efecto de las nanopartículas metálicas en la conductividad de las láminas de metal/CNT/PDMS.

Los principales parámetros que afectan la conductancia del compuesto de metal/CNT/polímero desarrollado se investigaron en función de los hallazgos experimentales y computacionales. Además, el modelo estimó la información de conductividad eléctrica de compuestos elásticos combinando diferentes NP de metales o aleaciones y modificando diferentes propiedades de la estructura de nanotubos de carbono.

Conclusiones clave del estudio

Au/CNT, Cu/CNT, Ni/CNT y AuCu/CNT se prepararon de manera eficaz mediante la combinación de nanopartículas metálicas distribuidas uniformemente en la superficie de los nanotubos de carbono. Los resultados de HAADF-STEM y XRD mostraron que las partículas de aleación de AuCu con proporciones atómicas similares se fusionaron en la superficie del nanotubo.

En base a estos hallazgos, se fabricaron láminas elásticas conductoras sobre sustrato PDMS con diferentes cargas de nanotubos de carbono. Los resultados de las pruebas de conductividad eléctrica mostraron que la mayoría de las láminas de metal/CNT/PDMS producidas tenían una conductividad eléctrica más alta en comparación con las láminas de CNT/PDMS.

La adición de nanopartículas metálicas mejoró la conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono y el efecto túnel en los cruces de nanotubos. A diferencia de las intersecciones CNT simples, los electrones deben penetrar las nanopartículas metálicas del nanotubo en las interfaces metal/CNT y luego atravesar la capa aislante polimérica para llegar al siguiente nanotubo.

Los resultados del cálculo mostraron que la conductividad inherente y la relación de aspecto de los CNT, así como la conductividad inherente, el tamaño y la relación de cobertura de las nanopartículas metálicas, fueron los parámetros principales que afectaron la conductividad eléctrica de la película de metal/CNT/polímero.

Los resultados numéricos también mostraron que la conductividad de los compuestos elásticos es de 100 S/m en películas de Au/CNT/PDMS, Cu/CNT/PDMS, AuCu/CNT/PDMS, Ag/CNT/PDMS o CuAg/CNT/PDMS La concentración de nanotubos de carbono es del ocho% en peso, la relación de cobertura de las nanopartículas metálicas es del 100% y la conductividad inherente de los nanotubos es de 106 S/m.

Relación

Wang Y, Lu S y otros. (2022). Modelado y caracterización de la conductividad eléctrica de nanopartículas metálicas/nanotubos de carbono/compuestos poliméricos. Informes científicos. Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14596-x

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