Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) представили метод лазерной обработки наночастиц меди на полимерной подложке, позволяющий получать из одного образца два функционально различных материала: медный композит с защитной оболочкой и гибрид меди с лазерно-индуцированным графеном. Работа проведена при поддержке гранта Российского научного фонда (№23-42-00081), результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Созданные материалы характеризуются прочностью, гибкостью и стойкостью к окислению, при этом не требуют дополнительных защитных покрытий. Технология основана на селективном лазерном спекании наноматериалов — перспективном методе для производства гибкой электроники, который обеспечивает высокую точность, экономичность и масштабируемость при придании материалам заданных свойств.
Управление свойствами через мощность лазера
Как пояснил профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес, ключевым параметром технологии является регулировка мощности лазера. При умеренной мощности наночастицы меди плавятся и инкапсулируются в полимер, образуя безоксидный медный композит с низким сопротивлением и высокой устойчивостью к влажности и температуре. Повышение мощности стимулирует формирование гибрида, в котором частицы меди выступают катализаторами, способствуя образованию лазерно-индуцированного графена непосредственно в полимерной подложке PET (полиэтилентерефталате).
Важным преимуществом разработки является устранение основных недостатков существующих методов: после традиционной лазерной обработки материалы остаются механически нестабильными, подвержены окислению и имеют слабую адгезию к подложке, что делает устройства уязвимыми при изгибах и воздействии влаги.
Проверка стабильности и функциональности
Химический и структурный анализ показал, что модифицированные материалы сохранили стабильность на протяжении 100 циклов сгибов. Испытания в условиях постоянной относительной влажности свыше 95% и температуре 70°C в течение трех дней, а также при влажности более 95% и температуре 40°C в течение 10 дней подтвердили устойчивость полученных структур.
Профессор Евгения Шеремет из той же исследовательской школы отметила, что технология позволяет масштабируемую обработку — от отдельных пикселей размером в десятки микрон до областей площадью в квадратные сантиметры. Это даёт возможность настраивать свойства материалов в зависимости от требуемого функционала устройства. Так, команда использовала это свойство для создания гибкой термопары, в которой оба конца изготовлены из одинаковых медных наночастиц, но различаются только параметрами лазерной обработки.
Применение и перспективы
Используя новый метод, учёные изготовили гибкие сенсоры на основе никеля, меди и лазерно-индуцированного графена меди. Электрические и термоэлектрические характеристики материалов оказались сопоставимы с рядом существующих PET-полимеров или превосходят их.
Технология может стать основой для создания высокоэффективных сенсоров деформации и температуры, а также антенн. Возможность точного управления свойствами материалов открывает путь к разработке новых устройств гибкой электроники с улучшенной стабильностью и долговечностью.