鉄による持続可能な木質エレクトロニクス

Nature Communications volume 13、記事番号: 3680 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

環境に優しいウッドエレクトロニクスは、最先端のセルロースベースの「グリーンエレクトロニクス」の欠点を軽減するのに役立ちます。 ここでは、高アブレーション、熱損傷、必要性などの従来の LIG の制限を克服し、非常に高い品質と効率で木材に大規模な導電性構造を彫刻するための革新的なアプローチとして、鉄触媒レーザー誘起黒鉛化 (IC-LIG) を紹介します。複数のレーザー発振ステップでは、難燃剤と不活性雰囲気の使用。 歴史的な没食子インクからインスピレーションを得た水性バイオベースのコーティングは、木材をレーザーアブレーションや熱損傷から保護しながら、効率的な黒鉛化を促進し、基材の凹凸を滑らかにします。 大規模（100 cm2）、高導電性（≧2500 S m−1）、均質な表面積は、非常に薄い（〜450 μm）木製ベニヤであっても、従来の CO2 レーザーを使用して周囲雰囲気中で 1 ステップで彫刻されます。 私たちは、木材を耐久性の高いひずみセンサー、柔軟な電極、静電容量式タッチパネル、エレクトロルミネセントLIGベースのデバイスに変えることで、アプローチの有効性を実証します。

持続可能な社会の要求を満たすには、環境に優しい製造ルート (「グリーン エレクトロニクス」) を使用して、再生可能で生分解性の材料から電子デバイスを開発することが必須です1。 スマートビルや都市へのモノのインターネット (IoT) アプローチの実装が予測されているため、持続可能な電子材料の規模と耐久性の点で満たされていない課題が生じています 2,3。 現在、最先端のグリーンエレクトロニクスは、（ナノ）セルロースベースの材料で作られた比較的小型の使い捨てデバイスが主流となっています4、5、6。 しかし、その持続可能性は、セルロースを単離して機能性材料に再構築するために必要な、エネルギーと化学薬品の量の点で多くの要求の厳しいステップによって課題となる可能性があります。 電子機器の基板として木材を使用することは、この問題を根本的に解決するのに役立ちます。 木材は、構造健全性モニタリング (耐荷重構造に組み込まれたひずみセンサーなど) などの高い機械的強度と拡張性だけでなく、貴重な美的感覚や触覚 (タッチ スクリーンやライト ディスプレイなど) を必要とする用途にも特に役立ちます。スマートビルディングにおけるマンマシンインターフェースとして）。

木材は再生可能で生分解性の CO2 貯蔵天然資源であり、美観と触感が高く評価され、軽量でありながら高い機械的強度を備えた優れた最先端の建築材料です。 木材エレクトロニクスの開発は、これまでのところ、複雑な木材の構造と固有の導電性の欠如によって制限されてきました。 導電性木材材料に対するこれまでの試みには、金属ナノワイヤ 7 や炭素ベースのインク 8 による表面コーティング、および低融点金属などのバルク含浸 9 が含まれていました。 これらのアプローチでは、持続可能性が限られているにもかかわらず、木材が受動的な基材として使用されてきました。 他の生物学的基材と同様に、適切な条件下で木材を黒鉛化すると、妥当な電気特性 (>500 S m−1 および <1 kΩ ◻−1) を備えたグラフェンおよびグラファイト状の材料が得られます10,11,12,13。 ただし、これは通常、構造的および機械的な完全性を犠牲にして行われます。 黒鉛化を木材の表面に選択的に、数ミクロンまで閉じ込めて大部分をそのまま残す方法を見つければ、木材エレクトロニクスに新たな道が開かれるでしょう。

レーザー誘起黒鉛化 (LIG) は、さまざまな無機 14、15 および有機前駆体を導電性材料 16、17、18 に変換するために使用されています。 この黒鉛化プロセスは、多孔質炭素質材料をもたらす前駆体の光熱変換と光化学変換の組み合わせとして最もよく説明できます。 LIG は、高い処理速度と柔軟性を特徴とする費用対効果の高い技術であり、形態制御された黒鉛化パターンのレーザー彫刻 19 とレーザー切断の組み合わせを可能にします。 生物材料のレーザー誘起黒鉛化の最初の試み 16,20 は、大規模センサーやアクチュエーターなど、想定されるほとんどの用途に適した、ただし完全には十分ではない電気的および構造的特性を備えた製品につながりました。

木材はレーザー誘起黒鉛化にとって難しい材料です。 木材の熱伝導率は低い (約 0.2 W m-1 K-1)21 ため、その表面は、バルクが分解温度に達するかなり前に大幅な熱劣化を受ける可能性があり、その結果、非対称の収縮と機械的応力が生じ、亀裂が生じます 10。 この問題は、レーザー誘起黒鉛化のように、高度に局所的な熱源が適用される場合に頻繁に発生します。 それにもかかわらず、木材を適度な電気特性を備えたグラファイト状の材料に変換するには、高温 (1200 ～ 3000 °C) が必要です 13,20。 熱損傷とアブレーション速度を減らすために、レーザー照射は酸素のない雰囲気 (Ar または H2) で実行できます16。 あるいは、木材の表面を黒鉛化して熱と物質移動に対する障壁として高密度の炭化層を形成し、その後、LIG17 を介して導電性を持たせることもできます。 これまでのところ、大気中での LIG に対するこの 2 段階のアプローチは、難燃剤 (ホウ酸) を含浸させた木材およびセルロースベースの材料 (紙および布地) についてのみ報告されています。 遅い彫刻速度、低減された出力値、および複数 (最大 5 回) のレーザー照射ステップが使用されましたが、結果として得られた LIG 構造は依然として不均質であり、多数の亀裂が見られました 17。 熱損傷を最小限に抑えるために、フェムト秒レーザーシステムによる天然木材の光支援黒鉛化が提案されていますが、満足のいく導電性は、低い彫刻速度（5 ～ 15 mm s-1）でのみ達成でき、その結果、プロセス時間が不均衡になります。 このような条件下でも、基材のアブレーションは 300 ～ 500 µm20 程度までしか抑えることができず、薄い (500 ～ 1500 µm) 装飾用木製ベニヤに過度の損傷を引き起こします。

ここでは、周囲雰囲気下で単一のレーザー照射ステップで、薄い木製ベニヤの表面に高導電性（≥20 Ω ◻−1 および最大 2500 S m−1）の LIG パターンを彫刻するための革新的で便利な方法を実証します。従来の CO2 レーザー光源と高い書き込み速度を備えています。 このアプローチである鉄触媒レーザー誘起黒鉛化（IC-LIG）は、当社配合の鉄タンニン酸インクの膨張性および熱触媒特性を利用しています（図1a）。 当社のアプローチのおかげで、薄い木製ベニヤ (約 0.4 ～ 1.5 mm) や紙基板上にも、アブレーションや熱損傷を与えることなく、導電性のグラファイト状構造を彫刻することができます。 これにより、最初に報告されたLIG電極を使用したエレクトロルミネセンスデバイスの例を含む、さまざまなデバイスを木材上に直接製造することが可能になります（図1b）。 最近の LIG の報告と比較すると、彫刻速度を向上させて (最大 35の倍速）、適度なレーザー出力で 1 回だけ発振するため、エネルギー消費が削減されます（図 1c、補足表 1）。 これらの特徴により、IC-LIG は高効率のレーザー誘起黒鉛化法となっています。 我々は、4 点プローブ測定、ラマン分光法、光学顕微鏡および電子顕微鏡、広角 X 線回折などの最先端の技術を使用して、得られた LIG 構造の関連する電気的、形態的、および組成的特性を詳細に分析しました。 さらに、革新的な渦電流測定技術を使用して、非常に広い領域（100 cm2）にわたってマッピングし、得られたLIG木材の電気的特性の均一性を初めて実証しました。 持続可能な大規模木材エレクトロニクスに対する IC-LIG の有用性を示すために、私たちは 4 つの概念実証アプリケーションを開発しました。すなわち、構造健全性モニタリングに適した耐久性の高いひずみセンサー、動作追跡用の柔軟な電極、ヒューマンマシンです。木の美しさと触感を備えたインターフェース（静電容量式タッチパネル）と、電極材料としてLIGを使用したエレクトロルミネッセンスデバイスの最初の例。

IC-LIG プロセスの概略図。 基材（例えば、木製ベニヤ）は鉄タンニン酸インクでコーティングされています（挿入図は、インクに含まれる鉄タンニン酸複合体の単純化された構造を示しています。補足図1も参照）。 次に、インクでコーティングされた木製ベニヤを CO2 レーザーで処理して IC-LIG を実現します (挿入図は、結果として得られる 3D 多孔質鉄-炭素複合材料の概略図を示しています)。 b この研究では、ひずみセンサー、フレキシブル電極、タッチ ボタン パネル、エレクトロルミネッセンス デバイスなど、木製ベニヤ上の IC-LIG 構造に対する概念実証アプリケーションを実証しています。 c プロセスパラメータ（より速い彫刻速度、より少ないエネルギー使用量、必要なレーザーパスは1回のみ）および品質（より高い導電率、より低い基板アブレーション）の観点から、当社のIC-LIGの性能を以前に公開された他のLIGアプローチと比較したレーダープロット。得られた LIG 材料 (補足表 1 も参照)。

鉄カチオンとポリフェノール（タンニン酸など）の複合体は、その持続可能性、生体適合性、豊富な化学性のおかげで、過去 10 年間でますます注目を集めており、機能性コーティングからナノ構造のアセンブリに至るまで、さまざまな用途で注目を集めています 22,23 。 現在の研究を含むこれらの研究の多くは、中世以来ヨーロッパで原稿を書くために使用されていた没食子インクに触発されています24,25。 私たちは、よく知られている鉄錯体形成能力 26 と膨張性の熱挙動 27 を備えた、容易に入手できる天然ポリフェノールとしてタンニン酸 (TA) を選択しました。 クエン酸鉄(III)を過剰のタンニン酸と混合すると、特徴的な深い青紫色を有する不溶性複合体が瞬時に形成されます(補足図1)28。 より一般的な塩化物、硫酸塩、または硝酸塩と比較して、クエン酸鉄(III) を使用すると、レーザー照射中の有害ガスの発生や、制御されないヘテロ原子ドーパントの導入を回避できます。 アラビアゴムをさらに添加すると、懸濁液中の複合体の安定化が促進され 29、安定したインクが得られますが、グリセロールは乾燥時の亀裂の形成を軽減します。

レーザーを 1 回通過する前後の、さまざまなネイティブおよびインクでコーティングされた木材および紙の基材の視覚的外観を補足図 2 で比較します。コーティングされていない基材はすべて深刻な損傷を受けていました（バルサ材やセルロース紙のように完全に焼却されたものもありました）。一方、インクでコーティングされたものでは、レーザー処理により目に見える亀裂のない均質な炭素質層が得られました。 インクは絵筆を使ってすべてのサンプルに塗布されました。 木製ベニヤでは、平均して最初の細胞層（≤50μm）にのみ浸透し、さまざまな厚さの層（木材の種類と表面粗さに応じて20〜80μmの間）を形成することがわかりました、補足図3a、b ）自然に不規則な木の表面を滑らかにしました。 対照的に、紙はほぼ完全に含浸されていました。

大きな（約100 cm2）サンプルをレーザー処理し（図2a、b）、従来の4点プローブセットアップ（補足図3c）と非接触の非破壊渦電流の両方を使用してシート抵抗値を測定しました。方法（図2bおよび補足図4および5）。 両方の技術で得られた値は非常に一致しており、テストされたすべての木材種および紙で高導電性材料の製造が成功したことが確認されました（補足図3c）。 木材基材の固有の構造異方性にもかかわらず、レーザ発振方向および木材繊維方向に平行または垂直の方向で測定を行っても、シート抵抗率に有意な差は検出できませんでした（補足図3c）。これは、どちらも存在しないことを示唆しています。木材の下地やレーザーの方向がプロセスの結果に悪影響を与える可能性があります。 レーザー処理領域の高い均一性は、渦電流測定で得られた二次元シート抵抗率マップによってさらに実証されました（図2c、dおよび補足図4）。 このような大面積 (100 cm2) の LIG 表面の均一性が直接測定によって示されたのはこれが初めてであることを指摘します。

a、b トウヒ材上の IC-LIG の大規模（100 cm2）サンプルの光学画像、および c そのシート抵抗率マップ（非接触渦電流法で測定。補足図 4 も参照）。 d y = 50 mm での水平線のプロットは、シート抵抗率が 10 cm の距離にわたって一定であることを強調しています。 e 黒鉛化多孔質構造の光学画像とそれに関連するGピーク（1570〜1580 cm−1）のラマンマップ（λ = 532 nm、スケールバー50μm）。 f 3 つの異なる位置で測定された関心領域 (ROI、それぞれ -15 × 15 µm2)。

特徴的なラマン ピークの徹底的な分析 16、30、31、32 により、レーザー処理領域にグラファイト状物質が存在することが確認されました。 グラファイト状炭素は一般に、そのラマンスペクトルに 3 つの異なるピーク、D ピーク (~1350 cm-1、sp2 原子の呼吸モードに関連)、G ピーク (~1580 cm-1、結合による) を示します。 sp2 原子ペアの伸縮）、および 2D ピーク（〜 2970 cm−1、D バンドの倍音）30、33、34。 Gピークは黒鉛材料（sp2炭素系）で常に観察されるため、インクでコーティングされたサンプルの黒鉛化が成功したことを証明するために、Gピークバンド（1570〜1580 cm−1、図2e）をマッピングしました。 図2f（ROI-1）の対応する関心領域（ROI、〜15×15μm2）からわかるように、マップ内の濃い赤色の領域は高強度のGピークバンドによるものです。 グラフェンまたはグラファイト状の材料に関連するラマンシグナルを示さない青い領域（図2f、ROI-3）は、光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（SEM）の両方で明らかになったように、多孔質構造内の空の穴です。

図 3a ～ d に示すように、新品の木材基板とレーザー処理されたインクでコーティングされた木材基板の表面は大きく異なります。 レーザーの通過は、タンニン酸の膨張挙動 35、熱分解プロセス、揮発性生成物の形成 36 などの要因の組み合わせにより、高度に相互接続された多孔質構造を生成します。 この構造のラマン測定をさまざまな位置で実行したところ（図3e）、黒鉛化プロセスが最上層で最も成功したことが明らかになりました。 顕著な G- (~1580 cm-1) および 2D-ピーク (2680-2690 cm-1) は、小さな D-ピーク (~1345 cm-1) とともに、部分的に黒鉛化された炭素を含む乱層グラフェンの存在を示しました。ドメインは最初のマイクロメートル以内に局在化します。 木材基材に近づくにつれて、G ピークと 2D ピークの両方の強度が減少し始めました。 対照的に、欠陥の存在に関連する D ピーク 32,37 は増加し、より高度な構造的無秩序を示唆しています。 強いバックグラウンドで示されるように、黒鉛化の程度は木材基材に達するまでさらに減少しました 38。

a レーザー加工され、新品のインクでコーティングされたスプルース単板を断面から見た画像。 (b) 純正のスプルースと (c) レーザーインクでコーティングされたスプルースの SEM 画像。 挿入図 d は、ナノ構造を示す上面の拡大画像です。 c では、異なる色の十字は、高フルエンス パラメーターで処理されたサンプルの典型的なラマン測定点を示します。 対応するラマンスペクトルを e に示します。 f の上面光学画像は、レーザー処理後のコーティングされていないスプルース (左) とインクでコーティングされたスプルース (右) を比較しています。 g、h レーザーインクでコーティングされたトウヒの多階層多孔性を示す SEM 画像（上面図）。 i-k 鉄-炭素複合材料の TEM 画像。 黒い斑点は鉄が豊富な相によるものです。 スケールバー: a 200 μm、b および c 50 μm、d 1 μm、f 10 mm、g 100 μm、h 25 μm、i 20 nm、j、k 10 nm。

これらの結果は、広角X線回折（WAXD）から得られた結果とよく一致しており、sp2ハイブリッド化グラフェン層の回転および並進の無秩序により、この多孔質微細構造が主に乱層構造グラフェンで構成されていることが示唆されました（補足図5）。 しかし、高フルエンスパラメータで処理したサンプルは、部分的な黒鉛化を示す新興（hkl）反射を示しました31、36、39、40。 有機材料の熱黒鉛化中の高温は、通常、より高い黒鉛化度とより大きな結晶子 (5 ～ 25 nm) の両方をもたらします 31。 積分強度比 ID/IG (式 (1)) から、ナノグラファイト結晶の面内結晶子サイズ La = 22 nm を計算しました。これは、WAXD ディフラクトグラムの (002) 反射から推定された値とよく一致しています。 (≈25 nm、式 (3)) および文献報告によると 11、41、31。 対照的に、より低いレーザーフルエンスを使用すると、生成されるLIG材料の品質が低下し（補足図6〜9）、その結果、グラファイト構造があまり顕著でなく（積層順序が低く）、より無秩序な（乱層状）グラフェン層を備えた炭素製品が得られ、 -面結晶子サイズ La ~7 nm (詳細については、補足情報を参照)。

より詳細な構造検査により、上面が最も高度な黒鉛化を示していることが確認されます。 上面の形態は、その下の多孔質炭素から際立っています（図3d、g、h）。 これは、インク層の表面およびバルクとのレーザーの異なる時空間相互作用の直接的な結果である可能性があります。 上面はビームに最もさらされるため、最も多くのエネルギーを吸収し、その結果最も加熱されると予想されます36。 エネルギー分散型X線分光法（EDX）によって示されるように、鉄は表面全体に分布しています（図3h）。 ただし、その濃度は、レーザー光線に最もよくさらされた領域では低いようです（図3h、補足表2）。 ここで、高温黒鉛化中の鉄の揮発は以前に報告されていることに注意してください42。 より高い倍率で観察すると（図3d）、多孔質の微細構造は粒子で装飾されているように見え、透過型電子顕微鏡（TEM）により、より軽い炭素発泡体で囲まれた高密度の鉄豊富なコアで構成されていることが明らかになりました（図3i–k） )43,44。 WAXD ディフラクトグラムから、乱層構造内の炭化鉄 Fe3C (θ = 43.9°、44.6°、45°) および酸化鉄 FexOy (θ = 43.1°)45,46 の分布を推測できますが、それらの一義的な識別はできませんでした。これは、比較的低いピーク強度と θ = 40 ～ 50° での回折バンドの重なりによって妨げられます。 これらの種の存在は、X線光電子分光法（XPS）（補足図10）からも示唆されており、より正確には、Fe 2p領域の3つのシグナル、それぞれ710.8（Fe2+ 2p3/2）、713.6（Fe3+ 2p3/ 2) および 724 eV (Fe2+ 2p1/2)、および O 1s 領域の 530 eV (Fe-O) のピーク 47。 C 1s プロットでは、284.5 eV (sp2 炭素) の顕著な非対称ピークとその π-π* サテライトが黒鉛炭素を示しています 48。 より高い eV へのシフトと C 1s 領域内のピークの広がりは、炭化鉄と酸化鉄種 49,50、および無秩序な炭素 48 の存在を示しています。 トウヒ、ブナ、バルサ、オーク、紙のサンプルについて計算された炭素と鉄の収量を補足表 2 にまとめます。

さらに、上面材料のラマンピーク（補足図6）と強度比（補足図7）の両方は、約2500〜3000℃の非常に高い温度で有機前駆体を処理することによって得られた材料と顕著な類似性を示しました11。 31、51。 このような温度値は、最大 13 W の出力であっても、レーザー システムではほとんど到達できなかったため、これは注目に値します。 ここで、インクでコーティングされたサンプルのレーザー照射から明るいスパークが発生していることに注意してください (補足ムービー 1、補足図 11) ）は、インクとレーザーの相互作用に起因する局所的な高温の発生を示しています41。

黒鉛化プロセスには有益ですが、セルロースやヘミセルロースの分解温度（300℃以上）を超える高温が局所的に発生すると、木材の機械的特性に悪影響を与える可能性があります52。 機械的特性に影響を与えることなく、大面積の木製単板を導電性 IC-LIG 材料に変換することは、将来の用途にとって特に重要であるため、天然およびレーザーインク処理したスプルースおよびブナの単板の両方で引張試験を実施しました。 IC-LIG プロセスの結果、引張強度は低下しませんでした (補足図 12)。

鉄などの特定の遷移金属カチオンは、熱触媒効果により、木材を含む有機材料の水熱炭化および熱分解黒鉛化に有益な効果をもたらすことが知られています13,35,51,53,54,55,56。 ,57。 当社のインクには鉄が含まれているため、レーザー発振パラメーターの予想範囲内である 1200 °C ～ 1600 °C の温度で、熱触媒プロセスがすでに効率的なレーザー誘起黒鉛化を促進した可能性があると仮説を立てるのは合理的です 13,51。 このため、私たちはこのアプローチを鉄触媒レーザー誘起黒鉛化 (IC-LIG) と呼んでいます。

IC-LIG における鉄の役割をより深く理解するために、鉄を含まないインク、つまりタンニン酸、アラビアゴム、グリセロールのみを含むインクでコーティングされた木材を調査しました。 フーリエ変換赤外 (FTIR) 測定によると、鉄タンニン酸インクでコーティングされた木材のレーザー放射 (1060 cm-1) に対応する光吸収は、天然木材や鉄タンニン酸インクでコーティングされた木材と比較してはるかに高いことが示されました。鉄を含まないインク（補足図13）。 鉄を含まないインクでコーティングされた木材基材の場合、鉄-タンニン酸の処理に使用したのと同じレーザーパラメータで測定可能な導電率（シート抵抗率値約60〜70Ω◻−1）を発現させるには、少なくとも2回のレーザー照射ステップが必要でした。インクを塗った木。 最終製品は不規則な炭素発泡体であり（補足図14）、鉄タンニン酸インクを使用したときに観察されたナノ特徴はありません。 WAXDの結果によると、この炭素構造は2つのレーザー彫刻ステップの後でも完全に非晶質のままです（補足図5）。 タンニン酸は、高温の水熱炭化プロセスおよび熱分解炭化プロセスのよく知られた炭素前駆体です 35、58、59、60。 私たちの結果は、これがレーザー誘起黒鉛化にも当てはまることを裏付けています。 彼らはまた、高品質で導電性の高いグラファイト状材料へのより効率的な変換を促進する上での鉄触媒の重要な役割を強調しています。

バイオマスのバルク鉄触媒熱黒鉛化のメカニズムはすでに知られており 13,53,54,57,61,62,63,64 、少なくともその一般的な流れに沿って、我々のプロセスにも適用されるはずです。 この解釈に基づくと、鉄-タンニン酸複合体はレーザー下でまず非晶質炭素と酸化鉄のナノ粒子に分解され、続いて炭素熱還元により炭化鉄 Fe3C に変換されると考えられます。 Fe3C ナノ粒子が臨界サイズに達すると、非晶質炭素の触媒による黒鉛化が始まる可能性があります。 私たちは、黒鉛化プロセスと酸化鉄ナノ粒子の形成が、温度が最大 350 °C に達する可能性がある熱影響ゾーン、つまりレーザーの焦点面内ですでに始まっていると想定しています20。 ただし、当社の表面レーザー処理は従来のバルク黒鉛化プロセスと比較して非常に高速であるため、Fe3C 粒子の成長は高温にさらす時間までに制限されると予想されます。 実際、TEM 画像では、これらの粒子のほとんどが 20 nm より小さく、炭素発泡体の中に埋め込まれていることが示されています。 したがって、このメカニズムと私たちのプロセスとの類似性は、最初の瞬間にのみ成立する可能性があります。 レーザーと物質の相互作用は、鉄触媒による非晶質炭素の LIG への変換に重要な役割を果たしている可能性が高く、この点を明らかにするにはさらなる研究が必要です。 それにもかかわらず、従来の熱触媒黒鉛化アプローチと比較して、当社のアプローチでは金属の使用量が 5 倍少なく (最大 30 wt.% ではなく 5.6 wt.%)、必要なステップは 1 つだけで、追加の基材に難燃剤を含浸させ、事前に炭化させるだけです。前駆体は 300 ～ 600 °C の温度で処理され、不活性雰囲気下での熱処理は不要です 13,51,65。

最先端の構造健全性監視システムは高価で、専用の機器が必要であり、耐荷重要素の構造性能を損なうことなく耐荷重要素に統合することは困難です66。 世界中で大量の木材を使用した高層建築物への関心が高まっているため、構造設計を改善し、保守性を保証するために、耐力木材要素を評価するための適切なセンサー システムを提供することが重要です67。 ここでは、バルクの機械的特性をそのまま維持しながら広い木材領域を導電性 IC-LIG に変換することで、このような将来の建築規模の用途に手を伸ばすことができることを示します。

概念実証のひずみセンサー デバイスを作成するために、トウヒとブナの単板に彫刻された導電性 IC-LIG 領域に電極を取り付けました。 次に、一定湿度条件下での引張試験中の抵抗率の変化を測定しました（図4a）。 図4bに示すように、木製ベニヤの機械的変形により、破損するまでのひずみの関数として抵抗率が増加しました。 サイクルテストにより、当社の LIG 構造は重大な性能低下なく 69,000 サイクル以上に耐えられることが確認されました (図 4c、補足ムービー 4)。

a 加えられた力の関数としての抵抗率の変化を測定するための、概念実証用の IC-LIG 木ひずみセンサーの概略図 (矢印は引張応力の印加方向を示します)。 b 代表的な IC-LIG スプルース単板の力-時間プロットと対応する抵抗率-時間プロット。 c 代表的な IC-LIG ブナ材単板を使用し、引張荷重サイクル下で測定された抵抗率の値。 測定は 69,000 サイクル以上実行されました。 時間の経過とともに抵抗率がわずかに増加するのは、おそらくサイクル テスト中の木製ベニヤのクリープによるものと考えられます。 挿入図は、周期的な抵抗率の変化と、ソース測定ユニットから測定された抵抗率データとクリップオン伸び計から測定されたひずみ値の間の直接の相関関係を強調しています。 d 薄い陽気な木のベニヤ上に得られた IC-LIG フレキシブル電極を示す画像オーバーレイ。これにより広範囲の曲げ角度が可能になります。 e 曲げ角度とそれに伴う抵抗率変化 R/R0 の関係。 f ねじりや曲げに対しても電気的接続が安定していることを示す写真。 ここでは、柔軟な IC-LIG-wood 電極を使用して、バッテリーと LED ライトを接続しています。

当社の IC-LIG 木ひずみセンサーの耐久性に着想を得て、薄い (約 450 μm) ヤマザクラ (Prunus avium L.) の単板に IC-LIG プロセスを適用して、柔軟性の高い電極を製造しました (図 4d–f)。 。 高い曲げ角度で何度か速く不規則に曲げた後でも、抵抗率は常に元の値に戻りました (補足ムービー 5)。 このような堅牢性の理由は、導電性 LIG 構造とその下にある木材基板との強力な接続にあり、その結果、最先端のカーボンベースのインクで達成できる安定性と比較して比類のない安定性が得られます。 私たちは、IC-LIG 木材電極と市販の水性導電性カーボンインクでコーティングされた木製ベニヤの両方を水中で長時間 (最大 30 分間) 超音波処理することでこの点を実証しました。 補足図15に示すように、このような過酷な条件下でもIC-LIG電極は電気的性能を維持しながら、カーボンベースのインクは木材基材から完全に分離されました。 当社の IC-LIG 電極の柔軟性と機械的強度の点で優れた性能を考慮すると、ソフト ロボティクスやモーション トラッキング用の柔軟なセンサーやウェアラブル触覚デバイスとしての応用が期待されます。

構造的かつ柔軟なセンサーに加えて、導電性の木製要素は、特にユーザー インターフェイスとして有用なデザイン用途を持つ可能性があります。 容量性センシングによって作動するコントロールを備えた大型の壁パネルは、たとえばスマート ホームの照明のオン/オフを切り替えるために使用できます。 実際の大規模な木製電子機器に対する IC-LIG の可能性を実証するための概念実証として、調光可能な木製電気スタンドを制御する一連の導電領域または「ボタン」を備えたタッチ パネルを構築しました。同じアプローチを大きな壁パネルにも適用できます。 当社の IC-LIG アプローチのおかげで、さまざまな木材種から導電性の薄いベニヤを作成し (補足​​図 3)、目的の用途に最適なものを選択できます。 ヤマザクラ (Prunus avium L.) の木材は美的価値が高いため、薄い (~450 μm) ヤマザクラの単板の片面を当社のアイロンでコーティングすることにより、タッチ パネルを作成するためにそれを選択しました (図 5)。タンニン酸インクと 10 個の領域または「ボタン」をレーザー彫刻します (図 5e)。 レーザー彫刻された各タッチ ボタンをセンサー コントローラー (MPR121 ブレークアウト ボード) を備えた Arduino マイクロコントローラーに接続し、各ボタンが接続された LED であるとみなしました。 この種のデバイスの動作原理は自己容量であり、電極がグランド プレーン (アース) とコンデンサを形成します。 ここでは、レーザー彫刻された各導電性領域 (タッチ ボタン) が電極であり、アースは木製ベニヤ自体です。 ボタンに電圧を印加すると電界が発生します。 ボタンの反対側の自然表面に触れると、電界が変化し、その結果、静電容量が変化します。 センサー コントローラーはこのタッチ イベントを検出し、関連する LED をオンまたはオフに切り替えます。 したがって、機能化された桜の木の突き板は、調光可能な電気スタンドを制御するための装飾的なタッチパネルとして使用できます（図5、補足ムービー2および3）。 各ボタンには、ライトのオン/オフの切り替え以外の別の機能を割り当てることもできます。 このような持続可能なスマートベニヤは、木材の美的価値と独特の触感を組み合わせており、建築分野や自動車産業（車のダッシュボードなど）だけでなく、ポイント・オブ・ポイントのユーザー・インターフェースとしての用途も容易に見つけることができます。自動販売機などの販売アプリケーション。

薄い山桜の突き板で作られた静電容量式 IC-LIG 木製タッチ ボタン パネル。 最初は「オフ」(a) の LED ライトが、前面の天然木のベニヤ表面に触れ、黒い矢印で示された方向に指を動かすことで「オン」(b、c) に切り替わることを示す一連の画像。 写真は、(d) 開いたデバイス、(e) 導電性 IC-LIG タッチ ボタンを備えた背面の木製ベニヤ表面を示しています。 f 彫刻ベニヤの薄さのデモンストレーション (最大厚さ 450 μm)。

エレクトロルミネッセンス (EL) フラット パネル ディスプレイは、照明や光信号伝達の目的で関心が高まっています。 しかし、EL デバイスをより持続可能にすることを目的とした現代の研究努力は、基板としてのバイオベース材料 (ゼラチン 68 やセルロース 69 など) の使用に限定されており、導電性背面電極は依然として金属ベース (銅箔、銀ペースト 68,69 など) です。 、酸化インジウムスズITO70）。 炭素ベースの電極が銅、アルミニウム、銀の電極に比べて優れた環境上の利点があることは、密接に関連する太陽光発電の用途ですでに実証されています71。 ここでは、これまで報告されていないアプローチである、エレクトロルミネッセンスデバイスを製造するための LIG ベースの背面電極の使用について説明します。 私たちは、薄い (~450 µm) 桜の木の単板上に 20 × 20 mm2 の IC-LIG 背面電極を作製することから始めました。 この背面電極を最初に標準的な誘電体ペースト (バリウムチタン酸化物) でコーティングし、次にエレクトロルミネセンス蛍光体層 (マンガンドープケイ酸亜鉛) でコーティングし、最後に透明導電性 (PEDOT:PSS) のトップコーティングでコーティングすると、薄い (~ 660 μm）フレキシブルELデバイス（図6、補足ムービー6）。 当社の IC-LIG 背面電極の高性能を示すために、標準的な銅 Cu 箔を背面電極として使用するコントロール EL デバイス (ceteris paribus) を組み立て、比較のために使用しました。 発光領域は両方のデバイスで比較的均一であり（補足図16）、背面電極としてIC-LIGを使用すると、銅箔で得られたものと比較して最大85％の発光効率が得られることを直接測定によって証明しました（図16） .6d）。 これは、特に導電率（2500 S m−1 対 59‧106 S m−1）と形態（多孔質 3D 構造、結果として得られる平らで均質な表面に対して、わずかに厚い誘電体層の形成の場合）。 私たちのデバイスは、約 1.1 V µm−1 の電場に相当する 110 V の動作電圧、および 7.75 kHz の周波数ですでに発光しています。 比較のために、従来のフレキシブル EL デバイスで適度な明るさを実現するには、電界 >5 V µm-1 (動作周波数 >1 kHz) が必要です72。 さらに、動作電圧と周波数をそれぞれ325 Vと50 Hzに変更すると、照射領域がより均一になり、発光色が青から明るいターコイズに変化することが観察されました（補足図16）。

a 当社の IC-LIG-wood EL デバイスの分解図と概略図。 b EL デバイス全体の厚さはわずか 630 µm です。 c 当社の IC-LIG-wood EL デバイスの操作性と柔軟性を紹介します。 d IC-LIG裏面電極を用いた当社EL素子と、裏面電極に銅箔を用いた参考素子との発光効率の比較。

プラスチック基板をバイオベース（ナノ）セルロースなど）に置き換える「グリーン」エレクトロニクスに向けた従来のアプローチは、持続可能なエレクトロニクス製品への需要の高まりによってもたらされる課題に取り組むには十分ではない可能性があります。 安価で豊富な再生可能な資源は、基板としてだけでなく、高価で汚染を引き起こす金属に代わる導体としても使用されなければなりません。 これに関連して、生物源由来の導電性炭素材料は、銀、銅、アルミニウムに代わる環境に優しい望ましい代替品となる可能性があります。

レーザー誘起黒鉛化（LIG）は、バイオベースの導電性炭素材料の製造に有望な技術ですが、従来のプロセスでは、不活性雰囲気下での複数のレーザー照射ステップと危険な物質の使用が必要な、木材や紙などの要求の厳しい基材に対して大きな制限があります。難燃剤であるにもかかわらず、基材の剥離や熱による損傷が大きくなります。 この研究では、鉄触媒レーザー誘起黒鉛化 (IC-LIG) という新しいアプローチを適用することで、これらの課題に取り組み、克服しました。 鉄タンニン酸インクと従来の CO2 レーザーを使用して、薄い (~450 μm) 木製ベニヤ (紙の上にも) に大きな (100 cm2 以上) 高導電性 (最大 2500 S m−1) の LIG 構造を彫刻することに成功しました。 ）周囲雰囲気中での単一レーザーステップで、基板の機械的特性を維持し、処理速度の向上により（レーザービームの焦点ぼけによる）空間解像度の低下を補償します。 この有利な製造戦略と、得られる製品の優れた電気的性能により、当社の IC-LIG アプローチは、将来の産業規模のアプリケーションにとって特に魅力的なものになります。

私たちは、さまざまな木材種についてインク、基材、およびレーザーパラメータ間の相互作用を体系的に調査し、最先端の技術を使用して得られた LIG 材料の特性を詳細に特徴付けました。 鉄タンニン酸複合体のレーザー誘起黒鉛化は、木材およびセルロース基材の黒鉛化に対して非常に有益な効果を示しました。 我々の結果は、高導電性LIGの形成を促進する鉄の重要な役割を指摘し、得られる階層的多孔質黒鉛状導電性発泡体の構造と特性の関係を明らかにした。 新しい渦電流測定を使用して大規模サンプルをマッピングし、サンプル表面全体にわたって均一な電気伝導率を実証しました。

大規模な持続可能な木材エレクトロニクスの開発における IC-LIG の大きな可能性を強調するために、耐久性の高いひずみセンサー (構造健全性のモニタリングに適している可能性がある)、柔軟な電極、静電容量式タッチ ボタンなどのさまざまなデバイスを展示しました。パネル、およびエレクトロルミネッセンスデバイス。 この後者は、背面電極として LIG を使用して作製されたエレクトロルミネセンス デバイスの最初に報告された例であり、銅電極の基準と同等の性能を示します。 当社の IC-LIG 材料は、多孔質の高導電性金属リッチ構造を必要とするエネルギー貯蔵デバイス (バッテリーやスーパーキャパシターなど) への応用も想定されています。 当社の IC-LIG 材料は、高い堅牢性と耐久性により、建築分野や自動車分野などでも役立ちます。

タンニン酸 (供給源: 中国の天然胆嚢ナッツ)、クエン酸鉄(III) (工業用)、およびグリセロール (99+%) は Sigma-Aldrich から購入しました。 アラビアゴム (噴霧乾燥) は Spectrum Chemical から購入しました。 カーボンベースの水性インク (Bare Conductive®、英国) および銀ペースト (EM-Tec、AG44、Micro to Nano、ニュージャージー州) すべての化学物質を受け取ったまま使用しました。 スライスした単板は、ノルウェートウヒ (Picea abies)、ブナ (Fagus sylvatica)、オーク (Quercus robur L.)、バルサ (Ochroma Philippines)、ヤマザクラ (Prunus avium L.)、およびトネリコ (Fraxinus Excelsior) から入手しました。 回転切断ベニヤは、カバノキ (Betula pubescens) およびカエデ (Acer pseudoplatanus L.) から得られました。 特に明記しない限り、すべてのベニヤの厚さは約 1 mm でした。 特に明記しない限り、脱イオン水 (DI) を徹底的に使用しました。

タンニン酸（３３ｇ）を、６０℃に予熱した７２ｇの脱イオン水に撹拌（５００ｒｐｍ）しながら少しずつ加えることにより溶解した。 加熱および撹拌を続けながら、５ｇのアラビアゴム、８ｇのグリセロール、そして最終的には７ｇのクエン酸鉄（ＩＩＩ）を少量ずつ連続して添加し、確実に完全に溶解させた。 得られた鉄タンニン酸インクを撹拌しながら室温まで冷却し、使用するまで室温で保管した。

市販の絵筆を使用して、鉄タンニン酸インクを薄い木のベニヤと紙（ワットマン）に塗布した。 均一なコーティングを得るために、インクを 2 ～ 3 層塗布しました。 次に、サンプルを使用前に 20 °C、65% RH で少なくとも 12 時間保管しました。

サンプルは市販の 10.6 µm CO2 レーザー彫刻機 (Speedy 300、Trotec) で処理されました。 レーザーの最大出力は 60 W、最大走査速度は 3.55 m s-1 でした。 レーザー処理に使用されるパラメータは基板によって異なります。 したがって、出力は15〜30%の範囲で、走査速度は150〜350 mm s-1、画像密度は1000パルスin-1、デフォーカスは最大5 mm（結果としてビーム直径0.4 mm）でした。 黒鉛化に対するレーザーフルエンスの影響を研究するには（補足図5〜9）：彫刻速度200 mm s-1で約13 Wのレーザー出力が高フルエンス（HiF）サンプルに使用されるパラメータであり、低フルエンス（HiF）サンプルでは使用されるパラメータでした。フルエンス (LoF) サンプルでは、​​レーザー出力約 12 W、スキャン速度 270 mm s-1 を使用しました。

電気特性の特性評価のために、サイズ 40 × 40 mm2 の正方形が 50 × 50 mm2 の単板サンプルにレーザー彫刻されました。 シート抵抗は 4 点プローブ (SD-800、NAGY) を使用して測定し、電気抵抗率はソース測定ユニット (2450、Keithley Instruments、米国) を使用して測定しました。 シート抵抗マップは、EddyCus® TF マップ 2525SR 自動シート抵抗マッピング デバイスを使用して取得しました。 サンプルは 0.25 ～ 0.5 mm の走査ピッチでマッピングされました。 デバイスは、NIST 参照標準に基づいて 50 × 50 mm の校正サンプルを使用して校正されました。

ラマン分光法は、532 nm レーザー、対物レンズ (Zeiss、20x)、および 1800 l mm-1 回折格子を使用した共焦点ラマン顕微鏡 (Renishaw InVia) で実行されました。 積分露光時間は、単一点測定の場合、2 MW のレーザー出力で 1220 ～ 2790 cm-1 のスペクトル範囲をカバーする 10 回の蓄積で 3 秒でした。 断面および上面図の単一点測定のデータは、ソフトウェア OriginPro 2019 (バージョン 9.6.0.172、OriginLab Corporation、米国) を使用して評価されました。 断面スペクトルを比較するために、データは正規化されました (0,1)。 トップビュー測定のFWHMを分析するには、OriginProソフトウェアのピーク分析ツールを使用しました。

マッピングパラメータとして、Streamline HR モードでは、2 MW のレーザー出力で 3 秒の積分時間 (単一スペクトル取得)、および 500 nm のステップ幅が使用されました。 データ取得後、Wire 3.7 ソフトウェア (Renishaw UK) を使用して、ベースライン補正と宇宙線除去フィルターが適用されました。 化学イメージングの場合、データは市販の MatLab ベースのソフトウェアである CytoSpec (v. 2.00.01) にエクスポートされました。 G ピーク バンドの積分強度 (1575 ～ 1585 cm-1) を使用して、ラマン マップ (200 × 200 μm2) のカラースケール表示が得られました。

結晶子サイズ La は式 11 を使用して計算されました。 (1) ここで、D ピークと G ピークの強度比は結晶子サイズに反比例します。

La の波長依存プレファクター C は、Matthews らの提案に従って >2 nm であると予想されます。 は次のように表すことができる (式 (2))73:

ここで、CO = −12.6 nm および C1 = 0.033、400 nm < λL < 700 nm で有効です。

微細構造測定は、デジタル光学顕微鏡（Keyence VHX-6000、Keyence、JP）およびオープンソース画像解析ソフトウェアImageJ（1.53e）を使用して実行されました。 回転式ミクロトーム (Leica RM2255、DE) を使用して、断面の滑らかな表面を調製しました。 レーザー処理された表面および断面の高解像度顕微鏡写真は、2 kV の加速電圧で駆動される電界放射型走査型電子顕微鏡 (SEM、Leo Gemini 1530、Carl Zeiss AG、DE) のレンズ内検出器を使用して撮影されました。 20 kV 加速電圧で駆動されるエネルギー分散型 X 線分光法 (UltraDry II、Thermo Fisher Scientific GmbH、デラウェア州) を使用して、鉄と炭素の局所濃度を測定しました。

透過型電子顕微鏡 (TEM) イメージングは​​、加速電圧 120 kV の JEM 1400 (JOEL、JP) を使用して実行されました。 粒子をサンプルからこすり落とし、エタノールに懸濁し、400 メッシュの銅グリッド上に堆積させ、その後空気乾燥させました。

広角 X 線回折 (WAXD) は、Soller スリットと Cu-K\(\alpha\)1 線源 (λ = 1.540598 Å) を備えた X 線回折計 (Xpert Pro、Panalytical、英国) を使用して実行されました。 40 kV および 40 mA で動作します。 各スキャンは、2\(\theta\) 角度を 5° から 70° まで 0.016° ステップで設定してゴニオ モードで実行されました。 結晶子サイズ La の分析は、Scherrer 方程式 (式 (3)) を適用することにより、スプルースと紙のサンプルに対して実行されました。

ここで、B1/2 (2θ) (ラジアン単位) は、(101) ピークの半値全幅です。

得られた回折プロファイルは、sp2 混成グラフェン層 (乱層構造) の並進および回転の無秩序により、広いピーク バンドを示し、信頼性の低い (hkl) 反射をもたらし、シェラー方程式に従った結晶子サイズの推定には不適切でした。 したがって、より低いレーザーフルエンスで処理されたサンプルからの回折パターンを使用して結晶子サイズを計算することは不可能でした。 したがって、Ruland と Smarsly によって開発された散乱プロファイルのフィッティング アプローチを使用して結晶子サイズを推定することが提案されています 11,31,36。 ただし、高レーザーフルエンスで処理したサンプルは、より明確な (002) および (101) ピークを示し、式 1 を使用した簡単な推定が可能になりました。 (3)。

X 線光電子分光法 (XPS) は、出力 300 W の Mg Kα X 線源 (λ = 1253.6 eV) を使用する SPECSTM 分光計 (SPECS GmbH、ドイツ) で実行されました。測定は室温で行われました。 各サンプルは 3 つのスポットで測定されました。 調査範囲は通常 10 × 7 mm2 でした。 サーベイスペクトルは、30 eV の通過エネルギーおよび 0.5 eV step-1 の分解能で、0 ～ 1000 eV の結合エネルギー範囲にわたって取得されました。 C 1s、O 1s、および Fe 2p の高分解能スペクトルは、パス エネルギー 20 eV、分解能 0.05 eV step-1 で取得した 3 回のスキャンの平均でした。 スペクトルは各サンプルについて同じ順序で収集されました (調査、C 1s、O 1s、Fe 2p)。 CasaXPS ソフトウェアは、バックグラウンド減算 (U 2 Tougaard タイプ)、ピーク統合、定量的化学分析、およびデコンボリューションに使用されました。 284.5 eV の C 1s (C-C sp2/sp3 オーバーラップ) ピークを使用して、結合エネルギー スケールを校正しました。 C 1s 領域は、sp2 および sp2 に割り当てられた 4 つの主要信号、284.5 (C-C、C-H)、285.8 (C-O)、287.3 (C=O)、および 289.1 eV (O-C=O) でデコンボリューションされました。 sp3 炭素、π-π* サテライト ピーク (292.7 eV) および 290.8 および 295.3 eV の 2 つのプラズモン損失ピーク。 調査スペクトルは、すべてのサンプルで 73 ～ 83 at.% の範囲の多量の炭素を示しており、これは文献値とよく一致しています 36。 EDX の結果によれば、鉄の量は木材 (1.0 ～ 2.6 at.%) と紙 (約 3.3 ～ 3.5 at.%) のサンプルの両方で比較的少ないです (補足表 2、図 3h、および補足図 3)。 17）。 サンプル間で絶対値内で観察された差異は、地形効果に関連している可能性があります48。

フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) は、FT-IR 分光計 (Tensor 27、Bruker、スイス) を使用して減衰全反射 (ATR) モードで実行されました。 スペクトルは、4000 ～ 400 cm-1 の範囲で 1 cm-1 の分解能で、1 回の測定につき 32 回のスキャンで測定されました。

機械的引張試験は、ISO 527-5 に従って 3 種類のサンプル (補足図 12a): 天然木単板、インク塗装単板、およびレーザー処理インク塗装単板を使用して実行されました。 サンプルは、標準サンプル タイプ A (250 × 15 × 1 mm3) に従って、ノルウェー スプルース (Picea abies) とブナ (Fagus sylvatica) の薄い単板からレーザーカットされました。 IC-LIG アプローチに従って、サンプル表面上に配置された 20 × 50 mm2 の導電性領域にレーザーが照射されました。 エンドタブは市販のポリウレタン接着剤で接着しました。 サンプルは少なくとも 1 週間、20 °C、相対湿度 65% に順応させました。 試験前に、電極（銅線）を導電性銀ペーストで導電性領域の端に接着し、引張試験中の抵抗率の変化を監視するためにソース測定ユニット（2450、Keithley Instruments、米国）に接続しました（補足図12a）。 。 変位はクリップ式伸び計で測定され、測定された抵抗率の変化との比較に使用されました。 すべてのテストは、20 °C、相対湿度 65% の気候条件で実施されました。 ５Ｎの初期荷重を加え、最大力（Ｆｍａｘ）に達した後、５０％の力が低下するまで、１ｍｍ／分の速度でサンプルを試験した。 サイクル試験は、引張試験に使用したのと同じサンプル測定を使用して実行されました。 サンプルは、保持時間 1 秒、速度 10 mm min-1 で公称ひずみ 0.5 mm ～ 1.0 mm の間で負荷をかけました。 並行して、サイクリング試験中の抵抗率の変化を監視するために、ソース測定ユニット (2450、Keithley Instruments、米国) を使用して抵抗率の変化を測定しました。 時間の制約により、サンプルは約 69,000 サイクル (69,156 サイクル) のみ測定されました。

調光可能な電気スタンドのデモンストレーター用のタッチセンサー式ベニヤを作成するために、IC-LIG アプローチを使用して、ヤマザクラ (Prunus avium L.) の薄いベニヤ (約 450 μm) に領域または「ボタン」(図 5e) を彫刻しました。 。 導電性銀ペーストを使用した電極 (銅線) を各タッチ ボタンの端に接着し、容量性タッチ センサー ブレークアウト (MPR121、SparkFun) と Arduino マイクロコントローラー (Mega 2560) に接続しました。 10 ペアの LED のパネルを 220 Ω 抵抗を介して Arduino に接続しました。 各タッチ ボタンは 1 対の LED に接続されています。 Arduino コードは、Bare Conductive MPR121 Arduino Library74 に基づいており、合理的な要求に応じて入手できます。

背面電極を作成するために、IC-LIG アプローチに従って、インクでコーティングされた桜の木のベニヤ (~450 µm) 上に 20 × 20 mm2 の領域を彫刻しました。 エレクトロルミネセンスデバイスは、市販のキット（LumiLor（登録商標）、Darkside Scientific、米国）を使用して組み立てられた。 図6aに示すように、誘電体（バリウムチタン酸化物）、次にエレクトロルミネセンス蛍光体（マンガンドープケイ酸亜鉛）、最後にPEDOT:PSSの透明なトップコーティングから始まる連続層が彫刻領域に適用されました。導電性銀ペーストとともに対極を作製した。 Agilent Cary Eclipse 分光蛍光計でエレクトロルミネッセンス (EL) スペクトルを測定することにより、当社の IC-LIG-wood エレクトロルミネッセンス デバイスの効率を、裏面電極として銅箔を使用して作成した参照デバイスの効率と比較しました。 正確な測定を保証するために、すべてのサンプルは検出器にできるだけ近い同じ位置に配置されました。 分光蛍光光度計の生物/化学発光モードを設定し、分解能 0.5 nm、発光スリット 2.5 で 350 ～ 850 nm のスペクトルを収集しました。

この研究の結果を裏付けるデータは、記事と補足情報ファイルにあります。 その他の関連データは、要求に応じて対応する著者から入手できます。

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Yong Ding は、SNF プロジェクト「構造的および機能的勾配材料のための階層的セルロース足場」(200021_184821/1) の枠組みで資金提供を受けました。 Thomas Schnider (ETH Zürich) には木材サンプルの切断に感謝します。 Marek Chrapa と Yaroslav Romanyuk 博士 (Empa の薄膜および太陽光発電研究室) は、予備的な電気抵抗率の測定において多大な貢献をしていただきました。 Arndt Remhof 博士 (Empa) は、XRD の技術サポートで認められています。 著者らは、ScopeM の電子顕微鏡に対する技術サポートに感謝の意を表します。

エリック・ポロニ

現在の住所: 高エンタルピー流診断グループ、宇宙システム研究所、シュトゥットガルト大学、70569、シュトゥットガルト、ドイツ

木材材料科学、建築材料研究所、チューリッヒ工科大学、8093、チューリッヒ、スイス

クリストファー・H・ドライモル、郭恵章、マクシミリアン・リッター、トビアス・ケプリンガー、ヨン・ディン、インゴ・バーガート、グイド・パンザラサ

セルロースおよび木材材料研究所、エンパ、8600、デューベンドルフ、スイス

クリストファー・H・ドライモル、マクシミリアン・リッター、ヨン・ディン、インゴ・バーガート

接着剤およびポリマー材料研究所、材料およびプロセス工学研究所、ZHAW チューリッヒ応用科学大学、8401、ヴィンタートゥール、スイス

ロマン・ギュンター

多機能材料、材料学部、ETH Zürich、8093、チューリッヒ、スイス

ロマン・ギュンター

複合材料、ETH Zürich、8093、チューリッヒ、スイス

エリック・ポロニ

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CHD、HG、IB、GP がこの研究を考案しました。 CHD、HG、GP が実験を設計しました。 CHD は実験を実施し、データを取得し、デバイスを組み立ててテストしました。 MRはIC-LIG-woodエレクトロルミネッセンスデバイスの実現に貢献しました。 YD が TEM 画像を取得しました。 RGはXPSデータを取得しました。 EP は EDX データを取得しました。 TK はラマン分光法に関するアドバイスを提供しました。 CHD と GP が原稿を作成しました。 GP と IB がプロジェクトを監督しました。 すべての著者が原稿についてコメントしました。

インゴ・バーガートまたはグイド・パンザラサへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Dreimol、CH、Guo、H.、Ritter、M. 他。 大規模用途向けの鉄触媒レーザー誘起黒鉛化による持続可能な木材エレクトロニクス。 Nat Commun 13、3680 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-31283-7

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受信日: 2022 年 5 月 27 日

受理日: 2022 年 6 月 13 日

公開日: 2022 年 6 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31283-7

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