Плазмонные колебания как сварочный процесс для нанопроводов

Авторы и источники / Правообладателям

Нанопроволочки до сварки (фото Mark Brongersma / Stanford University)

Исследователи из Стэнфордского университета (CША) разработали новый метод сварки сеток тончайших нанопроводов. Работа может распахнуть новые горизонты для применения наноматериалов в электронике и солнечной энергетике. Для достижения успеха учёные обратились к физике плазмонов.

Одна из наиболее популярных тем научных изысканий в области наноматериалов — создание электропроводных сеток из металлических нанопроволок. Обещая нам исключительную проводимость, низкую стоимость и лёгкость производства, инженеры только и говорят о том дне, когда подобные проводящие сетки станут обыденностью в тачскринах, дисплеях, светоиспускающих диодах и тонкоплёночных солнечных батареях.

К сожалению, на пути этого светлого завтра стоит полное инженерных проблем неприглядное сегодня. Дело в том, что для спаивания крест-накрест нанопроволочек, образующих решётки, тончайшие сеточки должны быть нагреты и вдавлены друг в друга. Подобная «пытка» часто приводит к безвозвратной потере исходных образцов.

Но у любой проблемы рано или поздно найдётся своё простое и вместе с тем гениальное решение. В только что опубликованной в журнале Nature Materials статье группа исследователей из Стэнфорда продемонстрировала как раз такое изящное и многообещающее решение. Речь идёт о методе соединения, использующем энергию обычного яркого света для генерации локализованных поверхностных плазмонов, которые и нагревают проволочки, обеспечивая их спаивание.

Сердцем новой технологии является физика плазмонов — квазичастиц, отвечающих квантованию коллективных колебаний электронного газа.

Если говорить о пересекающихся крест-накрест нанопроволочках, то падающий свет будет генерировать волны плазмонов только в том месте, где нанопроволочки встречаются, образуя горячий узел. Особое изящество заключается в том, что горячий узел существует лишь до тех пор, пока нанопроволочки касаются друг друга, и сразу же исчезает, когда они сплавляются. Таким образом, процесс сварки является самотормозящимся. Остальной материал и, что не менее важно, материал, находящийся под проволочками, остаётся совершенно нетронутым.

Сравнивая электронные микрофотографии до и после сварки, легко увидеть, что отдельные нанопроволочки до освещения остаются визуально разделёнными. Они просто лежат друг на друге, как поваленные деревья в лесу. Однако во время освещения верхняя нанопроволочка начинает работать как антенна, направляя плазмонные волны на нижнюю и генерируя тем самым тепло, которое сплавляет проволочки друг с другом. Фотография, сделанная после освещения, показывает равномерно плоскую Х-образную спайку нанопроводков.

Исследователи утверждают, что новая технология могла бы открыть возможность получения сеток нанопроводников, привязанных к гибкому прозрачному пластику. Это, думается, могло бы позволить изготавливать недорогие оконные покрытия, генерирующие электричество (от солнечного света) и при этом уменьшающие засвеченность внутренних помещений. Никакие другие сварочные методики, использующие нагревательные плитки, на такое не способны.