Conduzione elettrica e spettroscopia di rumore del sodio

Aug 01, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9861 (2022) Citare questo articolo

713 accessi

7 citazioni

Dettagli sulle metriche

L’elettronica verde è un argomento emergente che richiede l’esplorazione di nuove metodologie per l’integrazione di componenti verdi nei dispositivi elettronici. Pertanto, di grande importanza è lo sviluppo di materie prime alternative ed ecosostenibili, biocompatibili e biodegradabili. Tra questi, l'alginato di sodio è un biopolimero naturale estratto da alghe marine che presenta un grande potenziale in termini di trasparenza, flessibilità e conduttività, quando funzionalizzato con un sottile strato di oro (Au). Il trasporto elettrico di questi substrati flessibili e conduttori è stato studiato, mediante misurazioni in corrente continua, da 300 a 10 K, per comprendere l'interazione tra il substrato organico e lo strato metallico. I risultati sono stati confrontati con doppi strati di riferimento basati su polimetilmetacrilato, un noto polimero utilizzato in elettronica. Inoltre è stata effettuata anche un'indagine dettagliata delle proprietà del rumore elettrico. Questa analisi consente di studiare l'effetto delle fluttuazioni dei portatori di carica, fornendo informazioni importanti per quantificare lo spessore metallico minimo richiesto per le applicazioni elettroniche. In particolare, il comportamento al rumore tipico dei composti metallici è stato osservato in campioni ricoperti con 5 nm di Au, mentre livelli di rumore relativi ad una conduzione non metallica sono stati riscontrati per uno spessore di 4,5 nm, nonostante la relativamente buona conduttanza DC del doppio strato .

Lo sviluppo di dispositivi elettronici flessibili ha ricevuto molta attenzione negli ultimi dieci anni, perché si prevede che avranno un grande impatto sulle apparecchiature elettriche ed elettroniche (AEE), che sono diventate una parte essenziale della nostra vita quotidiana. Dopo il loro utilizzo, le AEE vengono smaltite, generando grandi rifiuti elettronici costituiti da materiali pericolosi ma preziosi. Nel 2019, il mondo ha generato 53,6 milioni di tonnellate (Mt) di rifiuti elettronici e solo il 17,4% di questi rifiuti elettronici è stato raccolto e riciclato1. Le attuali tecnologie di riciclaggio si basano principalmente sulle fonderie e sulle tecnologie chimiche. Il funzionamento di una fonderia è ad alta intensità energetica, mentre gli acidi minerali comunemente utilizzati nelle tecniche di riciclaggio chimico comportano gravi rischi ambientali per i lavoratori, nonché per la qualità dell'aria e dei flussi d'acqua2,3.

L’uso di materiali biodegradabili e facilmente riciclabili nel quadro dell’elettronica verde potrebbe ridurre notevolmente l’impatto ambientale dei rifiuti elettronici. Questi materiali, infatti, offrono l’opportunità di un percorso di riciclaggio più sostenibile dal punto di vista ambientale2,4, nonché di una gestione sicura dei dispositivi monouso come i sensori. Secondo la norma europea EN13432, un materiale biodegradabile è quello che può essere convertito per almeno il 90% in componenti innocui, come acqua, anidride carbonica e biomassa, attraverso l’azione di funghi o microrganismi entro 6 mesi. Attualmente, l’uso di materiali biodegradabili rappresenta un’opportunità in diversi campi, dove possono essere utilizzati come substrati, interstrati o strati attivi ed elettrodi. Ad oggi, i materiali biodegradabili più studiati e promettenti sono i derivati ​​della cellulosa5,6, la chitina/chitosano7,8,9 e la fibroina della seta10,11,12.

Recentemente abbiamo iniziato a utilizzare l'alginato di sodio (SA), un polimero biodegradabile naturale derivato dalle alghe brune13. SA è solubile in acqua e facile da manipolare, in modo che fogli piatti e trasparenti possano essere facilmente fabbricati con un processo rispettoso dell'ambiente14. Con l'obiettivo di utilizzare SA per la fabbricazione di substrati innovativi per produrre dispositivi ecologici per la luce e l'energia (ovvero fotodiodi organici (OPD), diodi organici a emissione di luce (OLED), celle solari polimeriche (PSC), ecc.), abbiamo depositato un sottile strato di Au sopra un film di SA ottenendo un doppio strato conduttivo, le cui proprietà elettriche devono essere studiate per adattare i substrati all'applicazione finale. Questa piattaforma è stata integrata con successo negli OLED funzionanti4, dimostrando che può sostituire quella convenzionale realizzata con doppi strati vetro/ITO. Strati metallici molto sottili sono tuttavia obbligatori per preservare la trasparenza del substrato nelle applicazioni optoelettroniche. Pertanto, nella fabbricazione di un'AEE usa e getta, la quantità di parte metallica nel doppio strato dovrebbe essere minima, pur mantenendo un adeguato trasporto di corrente con un'elevata conduttanza elettrica. L'Au rappresenta una buona scelta per le sue buone proprietà di crescita e connettività ma anche per la sua resistenza alla degradazione chimica, fornendo una buona conduttanza anche a uno spessore molto basso.