Ученым Технического университета Дании удалось добиться значительного прогресса в материаловедении, успешно интегрировав ультратонкие оксидные мембраны на гибкие металлические подложки. Это открывает возможности для создания носимых датчиков нового поколения, складных дисплеев и адаптируемых энергоустройств — технологий, которые ранее были ограничены жесткостью этих мощных материалов.
Проблема гибких оксидов
Сложные оксиды — соединения, сочетающие кислород с металлами, такими как марганец, титан и никель — обладают исключительной универсальностью. Они демонстрируют уникальные свойства, включая магнетизм, сегнетоэлектричество и настраиваемое электронное поведение, что делает их идеальными для передовой электроники, энергетических приложений и сенсорики. Однако традиционно эти оксиды выращивались на негибких подложках, что серьезно ограничивало их использование в сгибаемых или растяжимых устройствах.
Прорыв заключается в создании свободно стоящих оксидных мембран, которые могут прочно прилипать к гибким подложкам без трещин или отслаивания. Профессор Дэ-Сунг Парк объясняет: «Основным достижением является успешная интеграция свободно стоящих монокристаллических оксидных мембран на подложки из полимера с покрытием из нитрида титана (TiN)». Это означает, что материалы теперь можно создавать так, чтобы они изгибались и растягивались, сохраняя при этом свою функциональность.
Нитрид титана: ключ к адгезии
Исследователи усовершенствовали процесс изготовления мембран, чтобы минимизировать дефекты, а затем протестировали адгезию к различным металлам, включая золото, платину и нитрид титана (TiN). Результаты показали, что TiN значительно превосходит другие металлы. Оксидные мембраны прочно связывались с полимерами с покрытием из TiN и выдерживали деформацию до 1% без отсоединения.
Успех объясняется сильным химическим взаимодействием между оксидом и TiN. «Это происходит благодаря сильному межфазному взаимодействию между оксидом и TiN», — утверждает Парк, то есть материалы связываются на молекулярном уровне, создавая стабильность при напряжении. Команда протестировала LSMO, оксид, магнитные и электронные свойства которого можно изменять при деформации, доказав, что гибкие устройства теперь можно настраивать, растягивая или сжимая их.
Широкий спектр применений и будущие исследования
Это новшество имеет далеко идущие последствия. Напряженное конструирование оксидов на гибких подложках может привести к улучшенной гибкой электронике, носимым медицинским датчикам, складным дисплеям и передовым системам сбора энергии. Возможность регулировать свойства материалов с помощью деформации открывает двери для регулируемого магнетизма, настраиваемой проводимости и повышенной каталитической активности — потенциально революционизируя не только потребительскую электронику, но и хранение энергии, технологии памяти и нейроморфные вычисления.
Исследовательская группа планирует масштабировать производство для создания более крупных, безупречных мембран и изучить укладку различных оксидных слоев для еще более сложных структур. «Наши будущие исследования сосредоточены на разработке больших, безупречных мембран, создании сложных гетероструктур путем укладки и скручивания, а также исследовании возникающих физических явлений», — говорит профессор Нини Придс.
В конечном счете, этот прорыв преодолевает серьезное препятствие в материаловедении, переводя потенциал передовых оксидов из лаборатории в практические, сгибаемые устройства, которые могут стать неотъемлемой частью повседневной жизни.
