電気抵抗を制御したカーボンナノチューブ配線をプラスチックフィルム上に直接形成

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2254 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、室温、大気圧下でプラスチックフィルム上に多層カーボンナノチューブ（MWNT）配線を作製する簡単な方法を開発した。ポリプロピレン（PP）フィルム上にコーティングされたMWNT薄膜にレーザーを照射することで、PPフィルム上にMWNTとPPの複合体からなる導電配線を直接作製できます。この方法を使用して製造された MWNT 配線の抵抗は、0.789 ～ 114 kΩ/cm の範囲でした。レーザーの走査速度を変えることで、1本の配線内でも単位長さあたりの抵抗値が異なるさまざまな領域を作製することができました。断面走査型電子顕微鏡や顕微ラマンイメージングを用いた微細構造観察などの実験結果と、局所レーザー加熱時の膜内の熱伝導などのシミュレーション結果の両方から、抵抗調整可能なMWNT配線の形成メカニズムを議論しました。この結果は、MWNT 配線が高温で MWNT 内に PP 拡散によって形成されたことを示唆しています。また、配線に使用されなかった余剰のMWNTを回収し、新しい配線の作製に使用できることも実証しました。この方法は、軽量のフレキシブルセンサー、エネルギー変換デバイス、エネルギー貯蔵デバイスなどの全炭素デバイスを実現するために利用できます。

フレキシブルオールカーボンデバイスは、その柔軟性、軽量、優れた物理的および化学的特性により、ポストシリコンデバイスとして注目を集めています1、2、3。カーボンナノチューブ (CNT) は、その興味深い物理的および化学的特性により、フレキシブルなオールカーボンデバイスの最も有望な構成要素の 1 つです4。最近では、リジッド基板上の CNT デバイス 5,6 に加えて、プラスチックフィルムなどのフレキシブル基板上の CNT デバイスも広く報告されています 7,8,9,10,11。一般的なフレキシブル基板は高温成長プロセスには使用できないため、CNT ベースのフレキシブルデバイスは一般に次の手順で製造されます 12。まず、CNT は化学蒸着 (CVD) によって剛性基板上に成長します。次に、リソグラフィー工程によりＣＮＴをパターニングする。最後に、CNT 配線をフレキシブル基板 13 上に転写します。この方法には 2 つの課題があり、1 つは高温プロセスとクリーンルームプロセスという一連のプロセスが必要であることです。もう一つは、転写されたCNT配線の電気抵抗は転写前のCNT膜の抵抗によって決まるため、様々な抵抗値のCNT配線を作製するには転写工程を繰り返す必要があることである。したがって、抵抗を制御したCNT配線をプラスチック基板上に直接形成できる簡単なプロセスを開発する必要がある。

プラスチック基板上に CNT 配線を直接製造するための 2 つの主な方法、いわゆるレーザー誘起前方転写 (LIFT) 法 14 と熱融着 (TF) 法 15、16、17、18 が報告されています。 LIFT法は、レーザーを照射した材料を対象基板に近接転写することで、基板材料に依存せずCNT配線の直接描画を実現する技術である19。 LIFT 法では、パターン化されたマスクを介したレーザー照射により、アルミニウム、ポリイミド、ガラス、石英などのさまざまな基板に CNT を転写できます 20、21、22。 LIFT法では、抵抗値の異なるドナー材料を用意する必要があるため、CNT配線の抵抗値を制御することが困難です。さらに、LIFT 法では通常、高価なパルスレーザーが必要になります。 TF 法では、CNT をポリプロピレン (PP)、ポリカーボネート (PC)、エポキシなどのポリマーと事前に混合します 15、16、17、18。次に、レーザーを使用して複合材料を局所的に加熱し、ポリマーを選択的に蒸発させました。これにより、ＣＮＴ配線が形成された。 TF法は、レーザー条件を変えることでフレキシブル基板上のCNT配線の抵抗を制御することができます。たとえば、CNT 配線の抵抗は、レーザー条件の変化に応じて 0.021 ～ 464 kΩ/cm の範囲であると報告されています 17。しかし、TF法ではCNTとポリマーを事前に混合する必要があり、配線の作製に多量のCNTが必要になるという問題がある。これは、複合材料内のほとんどの CNT が利用されていないことを意味します。 TF 法では、ポリマーをアブレーションするために高出力レーザーが必要です。

材料の持続可能性の観点からは、LIFT法では未使用ドナーのリサイクル、TF法では未使用の埋め込みCNTのリサイクルなど、CNTの効率的な利用が期待されています。しかし、私たちの知る限り、LIFT 法と TF 法の両方で未使用の CNT をリサイクルしたという報告はありません。

本研究では、上記課題を解決するために、LIFT法とTF法をベースとした新たなCNT配線製造法を開発した。この方法を使用すると、低コストの半導体レーザーを使用して室温（RT）、大気圧で CNT 配線を PP フィルム上に直接製造できます。レーザー条件の変化に応じて、CNT 配線の抵抗は 0.789 ～ 114 kΩ/cm まで変化しました。 1本の配線内に高抵抗領域と低抵抗領域を交互に形成することが可能です。断面走査型電子顕微鏡(XSEM)や顕微ラマンイメージングを用いた微細構造観察などの実験結果と、局所レーザー照射時の膜内の熱伝導などのシミュレーション結果の両方から、抵抗値を可変できるCNT配線の形成メカニズムを考察しました。暖房。未使用の CNT の回収と CNT 配線の原料としての再利用もこの研究で実証されています。

提案された製造方法を図1に概略的に示します。水に分散された多層カーボンナノチューブ（MWNT）（2.0重量％）は、日本の名城ナノカーボン株式会社（MW-I）から購入しました。スプレー堆積用の溶液を準備するために、受け取ったままの溶液 12 mL を脱イオン (DI) 水 20 mL と混合することによって、MWNT 分散液を希釈しました。次に、分散液を特注の噴霧機 23 の溶液リザーバーに注ぎました。 PPフィルム［厚さ200μm、サイズ5×5cm。 P466-1、(MISUMI Corporation、日本)]をホットプレート (HP-1SA、アズワン株式会社、大阪、日本) の表面に固定し、空気中で 70 °C で加熱しました。ＣＮＴ分散液を加熱したＰＰフィルム上に噴霧した。スプレー領域は 120 × 80 mm で、この領域に 2 枚の PP フィルムを配置しました (図 1a)。 MWNT フィルムの平均厚さは約 10 μm でした。図1bは、電動X-Yステージ（SGSP20-35、シグマ光機株式会社、日本）上に配置されたPPフィルム上のMWNTフィルムを示しています。これに、5μm/s〜1mm/sの範囲の異なる走査速度でレーザー（DL-5146-101S、三洋電機株式会社、日本）（30〜66mW、λ = 405nm）を照射しました。 s（システムの概略図も図S1に示されています）。レーザーは温度コントローラー内蔵ヘッド（ALTH-103BC、アサヒデータシステムズ株式会社、日本）に接続され、コリメータ（ACH-10B、アサヒデータシステムズ株式会社、日本）が装備されました。焦点距離4 mm、作動距離2.3 mmのレンズ。レーザーはレーザードライバー (ALP-7033CC、ASAHIDATA SYSTEMS Co., Ltd.、日本) によって駆動されました。次に、フィルムを超音波処理（1510J-MT、ヤマト科学株式会社、日本）して15分間処理して残りのMWNTフィルムを除去し、N2を吹き付けました（図1c、d）。図 1e は、この方法を使用して製造された典型的な MWNT 配線の写真を示しています。すべての実験は室温、大気圧下で実施されました。

ポリプロピレン基板上にCNT配線を作製する模式図。 (a) PP 上への CNT フィルム形成の概略図。 (b) PP上のCNTフィルムへのレーザー照射。 (c) レーザー照射後および (d) 洗浄後の脱イオン水による洗浄の概略図。 (e) 曲げ加工中の PP 上に CNT 配線を作製。

電気輸送特性を測定するために、Ag ペースト (ドータイト D-500、藤倉化成株式会社) を使用して、MWNT 配線とプローブ間のオーミック接触を取得しました。電流電圧 (I-V) 測定には、ソースメーター (2612A、Keithley、OH、USA) とプローブステーションが使用されました。微細構造は電界放射型 SEM (SUPRA 40、Carl Zeiss、イエナ、ドイツ) を使用して観察されました。 MWNT 配線の幅は光学顕微鏡 (HISOMET2、Union Optical Co., LTD.、日本) によって特徴付けられました。曲げ時の抵抗は、曲げ半径を 4.8 ～ 16 mm まで変化させて測定しました。抵抗がレーザー走査速度の関数として制御できることを示すために、サーモグラフィー (IRC30、Teledyne FLIR LLC) を使用して温度分布を測定しました。ＤＣ電源（ＧＰＤ－２３０３Ｓ、ＧｏｏｄＷｉｌｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．、台湾）を使用して３２Ｖの電圧を印加した。ラマンスペクトルは、ラマン顕微鏡 (inVia Reflex、Renishaw plc.、英国) を使用して取得しました。

有限要素法 (FEM) に基づく熱伝導シミュレーションは、COMSOL Multiphysics ソフトウェアを使用して実行されました。 FEMシミュレーションのモデル構造は、厚さ20μmのCNTフィルムと厚さ200μmのPPフィルムからなる多層構造とした。 CNTフィルムとPPフィルムの熱伝導率はそれぞれ1.2W/mKと0.2W/mKであった。レーザーはCNTフィルム内で熱に変換され、その熱がCNTとPPフィルムに加えられました。このシミュレーションでは、レーザーの代わりにガウス熱流束が CNT フィルムに適用されました。ガウス分布の標準偏差はスポット直径 (1340 μm) の 1/3 でした。

COMSOL Multiphysics を使用して、FEM に基づくジュール熱シミュレーションも実行されました。図S2は、PPフィルム（高さ16 mm、幅65 mm）とMWNT配線で構成されるシミュレートされたデバイス構造を示しています。配線の幅を調整することで、単線の抵抗が1kΩ/cmと20kΩ/cmのMWNT配線を作製した。

この方法では、レーザーが照射されなかったPPフィルム上のMWNTが無駄になる可能性があります。物質の持続可能性の観点から、未使用のMWNTをリサイクルすることは重要です。以下の手順でリサイクルのデモンストレーションを行いました。まず、上記の手順を使用して、PP フィルム上に MWNT フィルムを作製しました。次に、照射出力66mW、走査速度1mm/sのレーザー照射によりMWNT配線を作製した。第三に、レーザー照射されたフィルムを50 mLの脱イオン水中で15分間超音波処理した後、PPフィルム上のMWNT配線およびMWNT水溶液が得られた。得られた溶液を超音波ホモジナイザー（FS300N、Shenzhen XinzhiBang Inst & Eq. Co., Ltd.、中国）を使用して出力300 Wで10分間超音波処理した。 4番目に、配線のI-V特性が測定されました。最後に、このプロセスが完了したら、この手順の 2 番目のステップに戻り、リサイクルされた MWNT 溶液を使用して新しい PP フィルム上に新しい MWNT 配線を作製しました。リサイクル手順は 4 回繰り返され、リサイクル回数の関数として MWNT 配線の抵抗が得られました。

図 2a は、レーザー出力 66 mW、スキャン速度 1 mm/s でのレーザースキャン回数の関数として電気抵抗を示しています。サンプルはレーザースキャンの間に超音波処理されませんでした。言い換えれば、サンプルは複数のレーザースキャンの最後に 1 回だけ超音波処理されました。 1 回のレーザースキャン後の抵抗は 14.6 kΩ/cm でした。配線のない部分の抵抗は測定限界である40GΩを超えており、MWNTはレーザーが照射された部分にしか存在しなかった。他の地域には MWNT はありませんでした。スキャン回数が増えるにつれて抵抗は減少しました。抵抗は 1 スキャンあたり 14.6 kΩ/cm で、10 スキャン後には 3.72 kΩ/cm に減少しました。 7 回のスキャンにわたって、抵抗は各値で同様でした。 MWNT配線周囲のXSEM画像を図2aの挿入図に示します。明らかにコントラストが変化する境界面（矢印）が存在することがわかった。対照的に、差異は、MWNT の濃度の差異を反映している可能性があります。 MWNT の濃度が高い可能性がある明るい領域の厚さは、5 回のスキャン後では約 1.4 μm、10 回のスキャン後では約 4.8 μm であり、スキャン数とともに厚さが増加することを示しています。

(a) レーザー照射時間の関数としての cm あたりの抵抗 (レーザー出力 66 mW、スキャン速度 1 mm/s)。挿入図は、5 回および 10 回のスキャン後のサンプルの断面 SEM 画像を示しています。スケールバーは2μmです。 (b) 上面図と断面の SEM 画像。スケールバーは0.5μmです。 (c) スキャン速度と (d) レーザー出力の関数としての cm あたりの抵抗。エラーバーは最大値と最小値を示します。

明るい領域の局所構造をより詳細に調べるために、SEM 画像を観察しました。図 2b は、1 回および 5 回のスキャン後の MWNT 配線の上面 SEM 画像と拡大 XSEM 画像を示しています。 1 回のスキャン後、フィルムに埋め込まれた繊維状ナノ構造が明るい領域で観察され、MWNT と PP がフィルム内で混合されていることを示しました。しかし、5回のスキャンの後、MWNTと思われる繊維状ナノ構造が絡み合っていることが判明した。 5 回のスキャンの相対 PP 濃度は 1 回のスキャンの相対 PP 濃度よりも低かったと思われます。

図 2c は、さまざまなレーザー出力での走査速度の関数として平均電気抵抗を示しています。各照射条件について、いくつかのサンプルを用意し、それらの I-V 特性を測定しました。走査速度の増加とともに抵抗は減少し、分布は近似のべき乗則分布に従いました。 MWNT 配線は、0.789 ～ 114 kΩ/cm の制御可能な抵抗を示しました。図 2d は、さまざまな走査速度でのレーザー出力の関数としての平均電気抵抗を示しています。抵抗はレーザー出力とともに指数関数的に減少しました。同じ照射条件下で調製されたサンプルは、同じ桁の抵抗を示すことがわかりました。

次に、光学顕微鏡を用いてMWNT配線の平均線幅を測定した。線幅は、レーザー走査方向に垂直な黒色領域の長さとして定義されました (図 3a の挿入図を参照)。サンプルの調製と測定を 3 回行いました。図 3a は、さまざまなレーザー出力設定におけるレーザー走査速度の関数としての平均線幅を示しています。線幅は、1 mm/s の走査速度を除いて、レーザーの走査速度によってほとんど変化しません。対照的に、線幅はレーザー出力とともに増加し、レーザー条件に応じて 292 μm から 683 μm まで変化しました。図 3b は、走査速度 1 mm/s、レーザー出力 30 mW および 66 mW でのレーザー走査回数の関数としての線幅を示しています。線幅は走査回数によってほとんど変化せず、レーザー出力とともに幅が増加しました。

(a) さまざまなレーザー出力に対するレーザー走査速度の関数としての MWNT 配線の線幅。 (b) スキャン数の関数としての MWNT 配線の線幅 (スキャン速度 1 mm/s)。 (c) さまざまなレーザー走査速度での MWNT 配線のラマンスペクトル。（ d ）単一ワイヤ内の異なる抵抗値によるさまざまな走査速度におけるMWNT配線のG-D比のラマンマッピング。

ラマン分析は、MWNT の結晶化度に対するレーザー照射の影響を調査するために実行されました。図3cは、さまざまなレーザー走査速度でのMWNT配線とレーザー照射前のMWNT膜のラマンスペクトルを示しています。 2 つの特徴的なピーク 24、25 がありました。D バンド (約 1350 cm-1) と G バンド (約 1580 cm-1) で、それぞれ sp2 結合の欠陥とグラファイトの性質を表します。 G/D 比は、MWNT の結晶化度を示します。これらは、スキャン速度 0.05 mm/s の場合は 0.73、スキャン速度 1 mm/s の場合は 0.90、未処理の MWNT の場合は 0.78 と推定されました。したがって、走査速度が速いほど、MWNT配線の結晶性は高くなる。元の MWNT の結晶化度と比較して、より遅い走査速度では結晶化度がわずかに低下していることがわかりました。この傾向は、異なる照射条件に応じて、レーザーの局所加熱が結晶性の改善または欠陥の形成のいずれかを引き起こすことを示唆しています。

図3dは、単一配線内で異なる走査速度で作製したサンプルの界面における重ね合わせた光学顕微鏡画像とラマンマッピングを示しています。走査速度を切り替えた界面でG/D比が大きく変化することが確認された。走査速度が遅い MWNT 配線では G/D 比が小さくなり、結晶性が低いことを示しています。長時間のレーザー照射によりMWNTの表面温度が上昇することでMWNTが酸化されたと考えられ、これが走査速度の低下と結晶性の低下との関係を説明できる可能性がある。より多くの欠陥を持つ MWNT はより高い抵抗を有するはずですが、この結果は逆の傾向を示しました。その理由としては以下のように考えられた。

単位長さあたりの抵抗 (R) は、オームの法則 26 に従って \(R=\frac{\rho }{wd}\) として表すことができます。ここで、ρ、w、および d は抵抗率、幅、深さです。それぞれ配線します。図 3a と b に示すように、線幅は走査速度とレーザー走査の数には依存しませんでした。一方、図2aおよびbに示すように、配線の厚さとMWNTの相対濃度（つまり、配線内のρに相当）は、照射回数の増加とともに増加しました。光子エネルギーの一時的な蓄積が MWNT と PP フィルムの熱融合を決定する場合、スキャン数の増加はスキャン速度の低下と同義である可能性があります。したがって、配線の抵抗は主にρとｄで決まると考えられる。低速スキャン時の局所的な結晶性の劣化にも関わらず配線の抵抗が低下した理由は、MWNT の局所的な結晶性の劣化よりもρの減少とdの増加の方が支配的だったためと考えられる。

MWNT配線の形成メカニズムを調べるために、XSEM観察とFEMによる熱伝導シミュレーションを実施しました。図 4a は、66 mW のレーザー出力と 0.05 mm/s の走査速度での MWNT 配線の XSEM 画像を示しています。図 4a のすべての領域は、上から観察すると黒です。 MWNT フィルムと思われる厚い層が中央領域で見つかりました。その長さは200μmを超えていました。深さ 60 μm の MWNT 膜境界間にサブミクロンの穴が観察されました。正孔の分布を決定するために、幅 25 μm、平均深さ 60 μm の領域における正孔の密度分布を XSEM 画像から取得しました。図 4b は、測定された穴の密度分布とガウス関数フィッティングを示しています。ガウス関数の半値全幅は 264.74 µm で、正孔の分布は厚い MWNT 層と一致しています。

(a) MWNT 配線の XSEM 画像 (レーザー出力 66 mW、スキャン速度 0.05 mm/s)。 (b) PP の正孔密度分布。 (c) COMSOL Multiphysics でシミュレーションした PP 内の温度分布。（ d ）66 mWのレーザー出力と配線の中心から端までの走査速度0.05 mm / sによるMWNT配線の上面SEM画像とラマンスペクトル。 A、B、C はそれぞれ MWNT 配線の中心、中間、端を示します。スケールバーは0.5μmです。 (e) MWNT 配線の推定形成メカニズム。

プラスチック自立フィルムを加熱すると穴が形成され、温度とともに穴の数が増加することが報告されています27。したがって、厚い MWNT 層は高温領域であると考えられます。レーザー照射時のフィルムの温度分布を有限要素法(FEM)を用いて調べた。図4cは、MWNT層とPPの境界における温度分布とフィルムの温度分布を重ねて示しています。 MWNTフィルムの熱伝導率はPPよりも高いため、熱は垂直方向よりも水平方向に優先的に伝導します。アンサンブルの表面付近の温度は映画内よりも高かった。これは正孔数の分布と一致しており、MWNT 層が厚い領域が高温領域であることがわかります。

図 4d は、MWNT 配線の上面 SEM 画像とラマンスペクトルを示しています。照射条件は、レーザー出力 66 mW、スキャン速度 0.05 mm/s、中央 (A)、中央 (B) です。、配線のエッジ（C）の位置。各位置間の距離は約１００μｍであった。中央領域ではMWNTがはっきりと観察されたが、中央領域では一部のMWNTがPPフィルムに埋め込まれた構造が観察された。エッジ領域では、多くの MWNT が PP フィルムに埋め込まれていました。一方、ラマンスペクトルの G/D 比は、観測領域内でほぼ一定でした。

高温の PP は拡散係数が高いため、PP は MWNT 膜中に広く拡散します 28。その結果、図4aに示すように、中心領域の周囲でMWNT-PP複合層の厚さが増加しました。さらに、多量の PP が蒸発し、MWNT が露出したと考えられます。一方、端部に近い領域では温度が低下するため、PPの拡散係数が小さくなり、溶融領域の厚みが薄くなることが考えられます。温度が低いほど蒸発する PP の量が減少するため、PP への MWNT の埋め込み膜が形成されました。この場合、異なる場所での温度差が MWNT の結晶性に影響を与えることはほとんどありません。しかし、PPの拡散と蒸発には影響を及ぼしました。

まとめると、MWNT 配線の形成メカニズムは次のように考えられます。図4eに示すように、MWNTは光熱変換効率が高いため、MWNTフィルムはレーザーで照射され、熱を発生します29。 MWNT フィルムと PP の熱伝導率は、それぞれ 15 と 0.180 W/mK でした 30,31。したがって、熱は水平方向に優先的に伝導し、その結果、MWNT-PP 界面では高温になり、PP フィルムでは低温になります。高温の PP が MWNT 膜中に拡散しました。レーザーの中心部である高温領域では、多量のPPがMWNT膜中に拡散します。ただし、温度が低いレーザーの端では、少量の PP が MWNT 膜内に拡散します。 MWNT フィルム内に拡散した PP は、PP/MWNT 複合層を形成します。したがって、厚い PP/MWNT 複合材料がレーザーの中心に形成される一方、薄い PP/MWNT 複合材料がレーザーの端に形成されます。レーザー出力が増加するにつれて、PP/MWNT 複合材料の厚さが増加しました。これは、厚い MWNT 層に多数の MWNT が存在するため、抵抗が減少した可能性があります。

レーザー条件を制御することでMWNT配線の抵抗を変化できることを発見しました。配線の抵抗変化を可視化するために、走査速度を変えながら1本の配線に電圧を印加し、サーモグラフィーを用いて温度分布を測定しました。図 5a は、概略図、写真、サーモグラフィー画像、およびシミュレーション画像を示しています。レーザー走査速度が速い領域ではジュール発熱により温度が上昇します。この結果はシミュレーション結果と一致しています。レーザーの走査速度を変えるだけで、異なる抵抗値の配線を形成できることが示されました。

(a) MWNT 配線の温度マップとシミュレーション結果 (写真と模式図)。 (b) 異なる曲げ半径での R/R0 値。 R0 は初期抵抗です。 (c) 曲げ半径 9.5 mm での繰り返し曲げ試験。 (d) リサイクル回数の関数としての cm あたりの抵抗。

図5bは、曲げ時のMWNT配線の抵抗(R)と平坦な状態での抵抗(R0)の比を曲げ半径の関数として示しています。 MWNT 配線の抵抗は、曲げ条件下でも一定のままでした。 MWNT配線の信頼性を調べるために、繰り返し曲げ試験を実施しました。フィルムを曲率半径９．５ｍｍで１０００回曲げた。図5cに示すように、MWNT配線の抵抗は1000回の曲げサイクル後でも一定のままであり、配線が曲げによる構造劣化がなく信頼性が高いことを示しています。作製した MWNT 配線は柔軟性を示しました。 MWNT およびポリマー複合材料は、ポリマーマトリックスが引き伸ばされて MWNT 間の距離が増加し、導電パスの数が減少し、その結果抵抗が減少するため、曲げにより抵抗が変化すると報告されています 32,33,34。曲げ下でも MWNT 配線の抵抗が一定であるのは、MWNT-PP 複合層内の MWNT の密度が高いことに起因すると考えられます。図2bに示すように、PP/MWNT複合層は緻密でランダムなMWNTフィルムを形成しました。 MWNT配線を曲げると、マトリックスは引き伸ばされましたが、MWNTとMWNT-MWNT間の接触面積が大きかったため、導電パスの数は変化しませんでした。したがって、配線の抵抗は曲げられても変化しないと結論付けられました。

次に、未使用の MWNT を PP フィルム上でリサイクルする実証を行いました。レーザーが照射されなかった領域の未使用のMWNTからMWNT水溶液を作成しました。回収したＭＷＮＴ溶液を再度噴霧に使用した。図 5d は、MWNT の抵抗をリサイクル回数の関数として示しています。概要を説明した方法を使用して製造された MWNT 配線の抵抗は、最大 4 倍までほぼ一定のままでした。この方法は、従来の熱融着法と比較して、MWNTの使用数を削減し、より効率的にMWNTを利用できることが実証されました。

本研究では、PP フィルム上に MWNT をスプレー蒸着し、レーザーを照射することで MWNT 配線が形成されることを実証しました。作製された MWNT 配線は、レーザー条件に応じて、0.789 ～ 114 kΩ/cm の範囲で制御可能な抵抗を示しました。線幅はレーザーの走査速度ではなく、レーザーの強度に依存することが判明しました。 MWNT配線をXSEM観察したところ、MWNT配線の中心に厚いMWNT層が形成されていることがわかった。また、厚い MWNT 層の下に穴が形成されていることから、厚い MWNT 層が高温領域であることがシミュレーション結果から分かりました。したがって、高温の PP が MWNT 膜に拡散すると、厚い MWNT 層が形成され、その結果、抵抗が低下すると結論されました。

概要を説明した方法を使用して製造された MWNT 配線は、曲げても抵抗に変化はありませんでした。配線に使用されなかったMWNTは容易にリサイクルでき、リサイクル後も抵抗は変化しませんでした。製造された MWNT 配線は柔軟性があり、必要な MWNT の使用量が少なく、非真空雰囲気下で制御可能な抵抗を備えた PP 上に直接製造できます。この技術は、大規模市場で普及すると予想されるフレキシブルセンサー用のカーボン配線やカーボンデバイスの製造に使用できる可能性がある。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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本研究の一部は、文部科学省日本学術振興会科学研究費補助金(C)(22K04880)の助成を受けて行われました。本研究の一部は、文部科学省「物質・ナノテクノロジー先端研究基盤（ARIM）」の支援を受けて行われました。提案番号 JPMXP1222NM0102。英語の編集については Editage (www.editage.com) に感謝します。

東京理科大学大学院先端工学研究科応用電子工学専攻（〒125-8585 東京都葛飾区）

Hiroaki Komatsu, Takahiro Matsunami, Yosuke Sugita & Takashi Ikuno

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概念化、TI、香港。方法論、香港。ソフトウェア、香港。検証、香港。形式分析、HK、TM; 調査、香港、TM、YS; リソース、TI; データキュレーション、HK、TM、YS。執筆—原案作成、香港。執筆—レビューと編集、香港、TI。ビジュアライゼーション、香港。監修、TI; プロジェクト管理、TI、香港。資金調達、TI 著者全員が原稿を読み、出版版の原稿に同意しました。

Correspondence to Takashi Ikuno.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

小松洋、松浪達也、杉田祐他電気抵抗を制御したカーボンナノチューブ配線をプラスチックフィルム上に直接形成します。 Sci Rep 13、2254 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

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受信日: 2022 年 12 月 16 日

受理日: 2023 年 2 月 7 日

公開日: 2023 年 2 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29578-w

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