Invention of teeny-tiny organic films could enable new electronics

1983年发布的第一部手机只有一块砖头大小,重2.5磅。今年秋季发布的最新款苹果手表重1.1盎司。

这些技术上的飞跃是通过寻找新的和创造性的材料组合方式实现的,这种方式可以将更多的信息和电路封装到越来越小的封装中。

芝加哥大学(University of Chicago)的科学家与康奈尔大学(Cornell University)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究人员合作,首次发现了一种简单、高效的方法,可以培育出极薄的有机材料薄膜。这项研究结果发表在11月7日的《科学》(Science)杂志上,它可能会成为未来拥有新能力的电子产品或技术的踏脚石。

科学家们很早就知道如何用无机材料制成极薄的层—下至几个原子的厚度。这就是为什么手机的尺寸缩小了,太阳能电池板在世界各地的屋顶上如雨后春笋般出现。但是,用有机材料(在化学意义上,即含有碳的物质)来复制这种制造过程是很困难的。

“如果你能把材料制成原子厚度的薄层,你就能把它们堆叠成序列,得到新的功能,有一些很好的理由认为有机薄膜可能真的有用,”博士后研究员、论文的第一作者之一于忠说。“但到目前为止,控制薄膜厚度并大量生产都是非常具有挑战性的。”

幸运的是,化学和分子工程学教授朴智勇(Jiwoong Park)是制造超薄薄膜新方法的专家,无论是缝在一起的晶体片,还是像便利贴这样的堆叠薄膜。


在这种情况下,这个团队的灵感来自于当你混合两种不混合的液体,比如油和水时的顽固分离。从本质上讲,他们利用像模具一样在它们之间形成的线条来制作完美的薄而平的薄膜。

他们在一个反应器中注入一半的液体a,然后加入液体b。在这两种液体相遇的地方,他们用一根小管子注入剩余的成分,这些成分组合成薄膜。然后,科学家们蒸发或排出这些液体,薄膜就会轻轻滑落,保持完整。

“如果你把它想象成布料,迄今为止,人们只能做补丁——而这些是巨大的卷布,”帕克说。

值得注意的是,胶片是在一个连续的动作中生长的,所以在片与片之间没有笨拙的关节。此外,它可以在室温下进行,这比制造无机薄膜通常需要的极高温度要高效得多。

该方法还提供了一种有机和无机层结合的创新方法。“无机材料和有机材料有不同的优势和劣势,可以互相补充,但它们的生长条件是如此不同,让它们和睦相处是一个挑战,”该论文的另一位共同第一作者、研究生郑宝丽(Baouri Cheng,音译)说。

然而,在这种方法中,“在反应堆的地板上放置一个无机基质,现在你就有了一个漂亮的三明治,”Park说。

他们测试了这种薄膜作为电容器的工作原理,发现其性能良好,这对电子产品来说是个振奋人心的信号。

但这个团队还有更多的想法:纳米机器人,当暴露在水或光下时可以弯曲或拉直的织物,过滤水或增强电池的薄膜,检测毒素的传感器,甚至未来量子计算机的比特。

钟说:“这是一个整合聚合物的通用平台。”“我们可以看到大量的应用和机会,我们已经在研究其中的一些。”


芝加哥大学博士后研究人员Chibeom Park、Andrew Mannix、Jae-Ung Lee、Joonki Suh和Kibum Kang以及研究生Fauzia Mujid、Sarah Brown和Kan-Heng Lee也参与了这项研究,还有芝加哥大学化学教授Steven Sibener;康奈尔大学教授大卫·穆勒和研究生阿利安娜·雷;和阿贡国家实验室的科学家华洲。

该团队使用了芝加哥大学普利兹克纳米制造设备和材料研究科学与工程中心,以及阿贡国家实验室的先进光子源。目前,帕克正与芝加哥大学的波尔斯基创业与创新中心合作,以推进这一发现。

引文:“用于混合超晶格的单层二维卟啉聚合物的晶片级合成”。钟和程等人,《科学》,2019年。DOI: 10.1126 / science.aax9385。

资助:空军科研办公室、国家科学基金会、卡米尔和亨利·德雷福斯基金会、美国能源部。

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