Forskere forsøger at printe tyndfilmstransistorer med metaloxider på varmefølsomme materialer

Inden for projektet Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP) forsøgte forskere fra Empa, EPFL og Paul Scherrer Institute at printe tyndfilmstransistorer med metaloxider på varmefølsomme materialer såsom papir eller PET. Målet blev i sidste ende ikke nået, men de involverede betragter projektet som en succes - på grund af en ny trykfarve og en transistor med "hukommelseseffekt".

Barren var uden tvivl sat højt:Målet var at få succes med at printe tyndfilmstransistorer på papirsubstrater eller PET-film. Elektroniske kredsløb med sådanne elementer spiller en vigtig rolle i det voksende Internet of Things (IoT), for eksempel som sensorer på dokumenter, flasker, emballage – et globalt marked, der er milliarder værd.

Hvis det var muligt at fremstille sådanne transistorer med uorganiske metaloxider, ville dette åbne et væld af nye muligheder. Sammenlignet med organiske materialer som den halvledende polymer polythiophen, forklarer projektleder Yaroslav Romanyuk fra Empa's Laboratory for Thin Films and Photovoltaics, er elektronerne i disse materialer meget mere mobile. De kunne derfor øge ydelsen af ​​sådanne elementer betydeligt og ville ikke skulle beskyttes mod luft og fugt med dyr indkapsling.

Varme som en udfordring

Der er et problem med blæk, der indeholder metaloxider:For at danne en stabil transistor skal materialerne sintres efter udskrivning - typisk i en ovn. Alternativt kan tørring og sintring udføres med lys - for eksempel med lavbølge ultraviolet stråling eller en xenonlampe. Det trykte lag opvarmes med meget korte lysglimt for at beskytte underlaget. Vand, opløsningsmidler og bindemidler forlader materialet i processen.

Ikke desto mindre opvarmer sådanne processer substratet til op til 200 grader - alt for varmt til papir eller PET, som begynder at miste sin styrke ved temperaturer omkring 80 grader, mens andre plasttyper såsom polyimider kan modstå meget højere temperaturer.

Fra 2017 til 2021, i et projekt af "Strategic Focus Area—Advanced Manufacturing" (SFA-AM), initieret af ETH Board, eksperter fra Empa, EPFL's Soft Transducers Laboratory og Polymer Nanotechnology Group ved Paul Scherrer Institute (PSI) arbejdet sammen på hvert trin i processen – for eksempel belægninger for at udglatte papirets overflade, blækformuleringer, bestråling osv. – og gjorde en del fremskridt.

Men deres "ultimate ønske", som Romanyuk siger, om at printe funktionelle tyndfilmstransistorer på papir, gik ikke i opfyldelse. Procestemperaturerne var stadig for høje, materialet for groft. Og de trykte transistorer på polymerfilm havde i sidste ende for lavt elektrisk output.

Forvent det uventede

Skuffet? Nej, siger Jakob Heier fra Empas Functional Polymers laboratorium. "Projektet var på ingen måde en fiasko." Ikke kun på grund af ny indsigt i tekniske detaljer, men på grund af uventede "sideresultater".

"Dette var et meget spændende projekt med mange overraskelser," siger Heier og husker en hændelse, der skulle få konsekvenser. Det involverede materialet grafen, ledende kulstof i atomtynde lag, der også er velegnet til trykte transistorer på fleksible film.

En ph.d.-studerende på holdet ville ikke være tilfreds med, at grafenblæk ikke kunne udskrives i højere koncentrationer. Partiklerne samler sig, de klumper sig sammen, og der kan ikke dannes en tynd hinde på den måde. I stedet for kun at bruge ét opløsningsmiddel prøvede forskeren en speciel emulsion af grafen og tre opløsningsmidler. Men denne belægning mislykkedes også i første forsøg. Da blækket blev blandet jævnt i næste forsøg og derefter udsat for lette forskydningskræfter, lykkedes det dog at trykke.

Nysgerrigt undersøgte eksperterne fænomenet og fandt ud af, at forskydningskræfterne fundamentalt ændrer blækkets struktur. Den fine grafen flager i væskereformen, så van der Waals-kræfter kan træde i kraft. Disse er relativt svage tiltrækningskræfter mellem atomer eller molekyler. Resultatet blev en gel-lignende blæk - uden bindemidler som polymerer, der ellers sikrer, at væsken bevarer sin konsistens og ikke adskiller sig.

En proces med markedspotentiale

Forskerne indså en løsning med praktiske fordele, der også virker ved stuetemperatur:Blækket tørrer uden opvarmning. Som det viste sig, kan sådanne van der Waals-blæk ikke kun fremstilles med grafen, men også med andre todimensionelle stoffer til udskrivning. I mellemtiden er processen blevet patenteret, og nogle virksomheder viser ifølge eksperterne allerede interesse for at producere de eftertragtede trykfarver – alt dette efter en tilfældighed, som holdet havde undersøgt med sund nysgerrighed.

Det var ikke den eneste overraskelse i FOXIP-projektet, som Yaroslav Romanyuk fortæller. En felteffekttransistor med et isolerende lag af aluminiumoxid, trykt på en varmebestandig polyimidplast, afslørede en ret ejendommelig adfærd. I stedet for et konstant signal, som man kunne have forventet, viste den stigende bølger. Udgangssignalet blev stærkere, fordi det "huskede" tidligere indgående signaler.

"At vise sådan en 'hukommelse'-effekt er faktisk uønsket for en transistor," forklarer Romanyuk.

Men en anden elev på holdet havde en idé om at bruge fænomenet på en anden måde. En transistor med en sådan hukommelseseffekt fungerer på samme måde som kredsløb i den menneskelige hjerne. Synapser mellem nerveceller transmitterer ikke kun signaler, men lagrer dem også. For computere, der efterligner den menneskelige hjerne, kunne sådan en synaptisk transistor derfor være yderst interessant. Men hvad kunne det gøre?

Med støtte fra Mozart

For at udforske dets potentiale byggede holdet en elektronisk kopi af den menneskelige høreproces sammen med tyndfilmstransistoren – og fodrede den med en populær Mozart-melodi:Rondo "Alla Turca" fra Sonata nr. 11 i A-dur.

"Det skulle være et livligt stykke," siger Romanyuk med et smil. Dette eksperiment og yderligere analyse viste, at transistorens synaptiske funktion er bevaret fra nogle få hertz til næsten 50.000 hertz - en meget højere båndbredde end sammenlignelige trykte transistorer.

Selvfølgelig er konkrete anvendelser endnu ikke i sigte for denne grundlæggende forskning - som holdet publicerede i onlinetidsskriftet Scientific Reports -i modsætning til trykfarver uden bindemiddel. Men på vej mod nye computerteknologier kan indsigten være et nyttigt skridt, der kom som en overraskelse – som det ofte har gjort i videnskabens historie.

Sådanne tilfældigheder er prikken over i'et for Romanyuk og mange andre forskere, især i projekter på grænsen af, hvad der er muligt.

"Vi har bevidst sat vores mål meget højt," siger han. "Tilfældigheder spiller en meget stor rolle i det her. Man stiller sig selv en stor udfordring, og så sker pludseligt og uventet disse tilfældigheder bare." + Udforsk yderligere

Fremstilling af trykte højtydende tyndfilmstransistorer, der kan betjenes ved én volt