Исследователи из Сколтеха запатентовали метод синтеза графеновых структур, при помощи которого можно создавать функциональные графеновые компоненты произвольной формы со 100-нанометровым разрешением на гибкой прозрачной подложке для изделий гибкой и прозрачной электроники. Благодаря предложенному подходу удается избежать образования дефектов, которые возникают в общепринятом на сегодня технологическом процессе переноса графена между подложками и приводят к снижению качества.
Запатентован метод изготовления графеновых структур для массового производства гибкой прозрачной электроники / ©Getty images
«Когда речь заходит о гибкой и прозрачной электронике, в первую очередь обычно говорят о более удобных нательных сенсорах для мониторинга пульса, дыхания, насыщения крови кислородом, которые бы снимали и пересылали необходимые показатели, например, на телефон или фитнес-браслет, — рассказывает один из изобретателей, аспирант Сколтеха Алексей Шиверский.
— Но представьте себе: когда технология станет доступной и эффективной, она будет повсюду. Как чайник с блютусом или робот-пылесос с вайфаем — сперва вам кажется, что они и не нужны, но со временем к ним привыкаешь и воспринимаешь как удобство, без которого уже не комфортно. Так и гибкая и прозрачная электроника, которая, я верю, будет в будущем повсюду».
Сегодня роль проводника в гибкой прозрачной электронике играют металлические сетки, внедренные в полимер или стекло. В основном используются медь, серебро и, если говорить о совсем дорогих устройствах, то золото и платина. Проблема в том, что, например, в случае металлических сеток, используемых для нагревания стекла, их можно лишь с натяжкой назвать прозрачными. Они неплохо справляются, но все-таки даже самая тонкая сетка «съедает» где-то треть проходящего через нее света.
Графен, обладая очень хорошей электропроводностью, является более прозрачным и менее заметным материалом, так как металлические сетки зачастую видны невооруженным глазом. Кроме того, ряд исследований показывает, что графен обладает большей усталостной прочностью при изгибе, чем металлические сетки, что означает, он прослужит дольше в качестве гибкого элемента.
Также стоит учитывать, что сырье для изготовления графена несравнимо дешевле и экологичнее, чем для производства чистых металлов. И графен, в отличие от меди и серебра, не подвержен окислению.
Одна из трудностей на пути к широкому применению графена в гибкой прозрачной электронике связана с проблемой переноса этого материала с временной подложки, на которой производится синтез, на постоянную, которая придает ему форму, необходимую для данного устройства. Сейчас для этого используется метод Ленгмюра — Блоджетт, который плохо масштабируется и вносит в графен дефекты, ухудшая его характеристики. Ученые из Сколтеха предложили ему альтернативу.
«Для выращивания графена традиционно используется плоская временная подложка. В методе Ленгмюра — Блоджетт, после синтеза ее растворяют, и графеновая пленка остается плавать на поверхности жидкости. Под неё подводят постоянную подложку нужной формы, и материал принимает эту форму — как раз в этот момент и происходит деформация листа графена, приводящая к возникновению дефектов», — пояснил Шиверский.
«Разработанный в Сколтехе метод предполагает, что временная подложка должна соответствовать итоговой форме. Постоянная подложка наносится со стороны графеновой пленки, после чего временная удаляется. Так как графен осаждается сразу в нужной форме и его не нужно „натягивать“, по научному, драпировать, на конечную подложку, дефектов, например, складок не образуется.
При этом за счет 3D формы исходной подложки достигается существенное расширение возможностей по сравнению с традиционными методами, так как электронные схемы уже не обязательно делать плоскими, или с формой близкой к плоской, но как угодно сложными в трехмерном пространстве с разрешением в сотни нанометров», — добавил Сергей Абаимов, другой автор патента, старший преподаватель Сколтеха. Также он уточнил ряд особенностей процесса: «В патенте раскрывается конкретный оптимальный метод, испытанный в лаборатории: на медной каталитической подложке формируется маска из фотополимера в форме синтезируемой графеновой структуры.
Затем подложка покрывается слоем хрома, после чего полимер удаляется и на ней остается негативная маска из хрома требуемой нам формы. Почему хром? Потому что он выдерживает высокую температуру синтеза графена и пассивирует его рост в закрытых областях. Однако патент не ограничивался данным методом, но также содержал положения общего характера — как в части описания, так и в формуле, охватывая широкий круг альтернативных подходов».
«Я ожидал, что придется пройти через несколько редакций, но к моему удивлению, заявку на этот сложный, многоуровневый патент одобрили сразу, были лишь правки технического характера, — добавил Абаимов. — Надеюсь, что наша работа найдет широкое применение и обеспечит России передовые технологии в области гибкой и прозрачной электроники».
