Спекание – это сплавление наночастиц с образованием твердой функциональной тонкой пленки, которую можно использовать для многих целей, и этот процесс может иметь большое значение для новых технологий.
Возможным преимуществом фотонного спекания является более высокая скорость и более низкая стоимость по сравнению с другими технологиями спекания наночастиц.
В новом исследовании эксперты OSU обнаружили, что предыдущие подходы к пониманию и контролю фотонного спекания основывались на неправильном представлении об основных физических принципах, что привело к сильной переоценке качества продукта и эффективности процесса.
Основываясь на новой перспективе этого процесса, изложенной в Nature Scientific Reports, исследователи теперь считают, что они могут создавать высококачественные продукты при гораздо более низких температурах, как минимум в два раза быстрее и с 10 раз большей энергоэффективностью.
По словам исследователей, устранение ограничений на производственную температуру, скорость и стоимость должно позволить создавать множество новых высокотехнологичных продуктов, напечатанных на подложках, столь же дешевых, как бумага или пластиковая пленка.
«Фотонное спекание – это один из способов контролируемого осаждения наночастиц с последующим их соединением, и это вызвало значительный интерес», – сказал Раджив Малхотра, доцент кафедры машиностроения Инженерного колледжа ОГУ. "Однако до сих пор мы не совсем понимали физику, лежащую в основе происходящего. Считалось, например, что изменение температуры и степень плавления не связаны, но на самом деле это имеет большое значение."
С концепциями, изложенными в новом исследовании, открыта дверь для точного контроля температуры с помощью наночастиц меньшего размера.
Это позволяет увеличить скорость процесса и обеспечить высокое качество продукции при температурах как минимум в два раза ниже, чем раньше. Был выявлен присущий эффект самозатухания, который в значительной степени влияет на получение желаемого качества готовой пленки.
«Более низкая температура – это настоящий ключ», – сказал Малхотра. «Чтобы снизить затраты, мы хотим печатать эти нанотехнологические продукты на таких вещах, как бумага и пластик, которые будут гореть или плавиться при более высоких температурах. Теперь мы знаем, что это возможно, и как это сделать. Мы должны иметь возможность создавать производственные процессы, которые будут быстрыми и дешевыми, без потери качества."
По словам Малхотры, продукты, которые могут развиться в результате исследований, включают солнечные элементы, газовые датчики, радиочастотные идентификационные метки и широкий спектр гибкой электроники.
Могут появиться носимые биомедицинские сенсоры, а также новые сенсорные устройства для экологических приложений.
В этой технологии свет от ксеноновой лампы может распространяться на сравнительно большие площади для сплавления наночастиц в функциональные тонкие пленки намного быстрее, чем при использовании традиционных термических методов. Должна быть возможность масштабирования процесса до крупных производственных уровней для промышленного использования.
Это продвижение стало возможным благодаря четырехлетнему плану в 1 доллар США.5-миллионный грант Национального научного фонда на масштабируемое нанопроизводство, направленный на преодоление научных барьеров на пути к промышленному производству наноматериалов.
В числе сотрудников OSU Чих-Хунг Чанг, Алан Ван и Грег Херман.
Исследователи OSU будут работать с двумя производителями в частном секторе, чтобы создать испытательную установку в лаборатории, что станет следующим шагом на пути внедрения этой технологии в коммерческое производство.