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更新日期:109年5月25日

臺大/中研院合作團隊把奈米複合物的導電行為變容易了

近二十年是奈米材料的革命世代。奈米管、奈米薄片和巴克球(buckyballs)等這些僅由幾千個原子所組成的對科學產生了時代性的震撼。為了讓這些發現對我們巨觀的真實世界產生真正的影響,我們必須將數百萬個這樣小的奈米物質組在一起形成巨觀物質。

由國立臺灣大學物理學系副教授謝馬利歐以及中央研究院原子與分子科學研究所副研究員謝雅萍所共同組成的MY-Lab團隊,過去一直致力於將這些石墨烯奈米片形成的膜鋪在玻璃片或塑膠片上,來製成應用於螢幕和太陽能的透明可撓式電極。然而這個目標卻比預期中的還難實現。使用較厚的奈米片所塗成的導電膜較導電,但透明電極卻因此變得較不透光;較大的奈米片組成的透明導電膜理論上應該比較導電,但由於奈米片間的接點變少,反而更不利於導電。

MY-Lab研究團隊試著去找出最佳化的奈米導電膜條件,但因為奈米片的形狀跟方向是非常不規律地,根本沒有現成的理論模型可以來預測或解釋實驗所量到的數據! 為了解決這樣複雜的電子導電行為,他們和一個來自香港大學的訪問學生一起開發了自己的預測工具。

現成的計算都是將奈米材料變成規則形狀而過度簡單的預測電流,導致計算失真。MY-Lab團隊相反地,用類似網路通訊的連結或大腦中的網絡連結為模型,並將材料和網絡間的連結視為由數百個具有各自電組的片狀薄膜所組成,而其所形成的總電阻可再利用曾經預測過動物遷徙的模型被簡易地計算出來。這個方法不僅適用於許多複雜的奈米材料,使建模變得容易許多,對於沒有程式經驗的研究人員而言也能很快上手。

他們使用這種新方法,首次計算出片狀薄膜和奈米管混合物等真實的奈米結構的導電行為,此外,計算中也顧及了每一單一奈米結構間的複雜傳導行為,這有助於預測複雜材料中所具有的新特性,並為將來的研究提供靈感。

回到研究團隊的初衷,研究人員成功的用奈米片狀薄膜的模擬結果驗證了他們在實驗上所獲得的結果。透過樣品的兩個簡單測量(光吸收和薄膜電阻)與其模擬結果進行比較,可進而預測出單一奈米片狀薄膜自己的特性,這種方法使實驗人員無需使用高功率顯微鏡或專門的測量工具就得以比較各式薄膜及材料的特性,進而預測出最佳的奈米電極形狀結構及其應該的電晶體表現。最終,研究小組研究了大約兩百種的奈米結構,找出了最適合做為電極的理想奈米片。

這些成果最近發表在《自然材料(Nature Materials)》,此期刊影響因子高達46.8,文章連結為 https://rdcu.be/b3FF0 。作者希望材料科學和奈米技術的研究人員將受到激勵,以新的方法來突破他們對奈米結構驚奇特性的認知。

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  • 國立臺灣大學物理學系副教授謝馬利歐以及中央研究院原子與分子科學研究所副研究員謝雅萍

    國立臺灣大學物理學系副教授謝馬利歐以及中央研究院原子與分子科學研究所副研究員謝雅萍

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