В последнее время большое внимание научного и технологического сообщества приковано к разработкам в области гибких электронных устройств, например, широко известна электронная бумага, то есть дисплей, который можно изгибать, сворачивать в рулон и т.д.. Причем важна также и себестоимость такой продукции – после разработки первичных образцов наступает стадия коммерциализации изобретения.

С точки зрения материаловеда это означает востребованность поиска методов получения таких структур, которые могли бы сохранять функциональность при указанных деформациях, которые к тому же были относительно дешевы. А это уже ставит задачу общего характера: нужно уметь получать различные гибкие структуры с широким спектром варьируемых свойств.

Оксид цинка является многообещающим материалом – будучи прямозонным полупроводником с широкой запрещенной зоной (3,4 эВ) и большой экситонной энергией, он является биосовместимым материалом, обладающим к тому же пьезоэлектрическими свойствами. В связи в этим авторы статьи задались целью получения упорядоченных массивов одномерных наноструктур (нанонитей и наностержней) на гибких подложках. Но самый большой интерес вызывает выбор подложки – ей стала обычная бумага! По сути, это довольно смелый выбор: бумага является чрезвычайно шероховатой, термически неустойчивой, и, строго говоря, получение упорядоченной пленки на такой подложке – это нетривиальное достижение.

Методика синтеза вкратце была такова: тонкая пленка ZnO была получена методом центрифугирования (spin-coating), после чего следовала обработка эквимолярным раствором нитрата цинка и гексаметилентетрамина в течении 1 часа при 85^оС. Результат такой процедуры показан на рис.1. Можно утверждать, что каждый отдельный наностержень – это монокристалл, растущий вдоль направления [001], но расположение этих монокристаллов трудно назвать упорядоченным. Выход из положения оказывается довольно простым: достаточно создать прослойку, которая бы сгладила поверхность бумаги. На рис.2 показан массив наностержней ZnO на полимерном субстрате. Авторы остановились на покрытии благородными металлами, поскольку было запланировано создание микроэлектронных устройств.

Рис. 1. (а) Нанонити ZnO на бумаге (b) отдельная нанонить©сканирующая электронная микроскопия высокго разрешения – показаны атомные слои

Рис. 2. Нанонити на «сглаженной поверхности» полимера, которым покрыта бумага

Рис. 3. ВАХ пленочных р-n-переходов в Ag/PEDOT:PSS(органический полупроводник р-типа)/ПММА/ZnO наностержень/Au/бумага (устройство 1), и Ag/PEDOT:PSS/ZnO наностержни/ZnO/Ag/бумага (устройство 2)

Рис. 4. Влияние изгиба на ВАХ на примере устройства 2

На рис. 3 приведена вольт-амперная характеристика двух таких устройств: Ag/PEDOT:PSS(органический полупроводник р-типа)/ПММА/ZnO наностержень/Au/бумага (устройство 1), и Ag/PEDOT:PSS/ZnO наностержни/ZnO/Ag/бумага (устройство 2). Напряжение включения для первого устройства составляет около 4 В, а сама зависимость напоминает ВАХ обычного n-p перехода, в то время как для второго напряжение включения составило 0,8 В. Авторы статьи объясняют это различием энергии перехода Ag-ZnO (0,8 эВ) и Au-ZnO (1,7 эВ). Полученные образцы устойчивы к изгибанию, при этом ВАХ меняется незначительно (рис.4), причем при повторном изгибании ВАХ воспроизводится. Но при скручивании или изгибании более 90^о происходит разрушение образца. Таким образом, осуществлена довольно необычная идея – получение массивов наностержней на обычной фотобумаге и создание электронных устройств на ее основе.

Оригинальная статья «Direct Growth of Aligned Zinc Oxide Nanorods on Paper Substrates for Low-Cost Flexible Electronics» была опубликована в апреле 2010 года в Advanced Materials.

Опубликовал: Бородинов Николай Сергеевич