Forskere gør fleksible, lavspændingskredsløb ved hjælp af nanokrystaller

(Phys.org)—Elektroniske kredsløb er typisk integreret i stive siliciumwafers, men fleksibilitet åbner op for en bred vifte af applikationer. I en verden, hvor elektronik bliver mere udbredt, fleksibilitet er en meget ønskværdig egenskab, men det er stadig en udfordring at finde materialer med den rigtige blanding af ydeevne og produktionsomkostninger.

Nu har et team af forskere fra University of Pennsylvania vist, at partikler i nanoskala, eller nanokrystaller, af halvlederen kan cadmiumselenid "printes" eller "coates" på fleksibel plast for at danne højtydende elektronik.

Forskningen blev ledet af David Kim, en ph.d.-studerende i Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science; Yuming Lai, en ph.d.-studerende i Ingeniørskolens Afdeling for Elektro- og Systemteknik; og professor Cherie Kagan, der har ansættelser i begge afdelinger samt i Kunst- og Videnskabsskolens Institut for Kemi. Benjamin Diroll, en doktorand i kemi, og Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray fra Materials Science and of Chemistry samarbejdede også om forskningen.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi har et præstationsbenchmark inden for amorft silicium, hvilket er det materiale, der kører skærmen på din bærbare computer, blandt andre enheder, " sagde Kagan. "Her, vi viser, at disse cadmiumselenid nanokrystalenheder kan bevæge elektroner 22 gange hurtigere end i amorft silicium."

Udover hastighed, en anden fordel cadmium selenid nanokrystaller har i forhold til amorft silicium er den temperatur, hvorved de aflejres. Hvorimod amorft silicium bruger en proces, der fungerer ved flere hundrede grader, cadmiumselenid nanokrystaller kan aflejres ved stuetemperatur og udglødes ved milde temperaturer, åbner mulighed for at bruge mere fleksible plastfundamenter.

En anden innovation, der gjorde det muligt for forskerne at bruge fleksibel plast, var deres valg af ligander, de kemiske kæder, der strækker sig fra nanokrystallernes overflader og hjælper med at lette ledningsevnen, da de pakkes sammen til en film.

"Der har været en masse elektrontransportundersøgelser af cadmiumselenid, men indtil for nylig har vi ikke været i stand til at få en god præstation ud af dem, " sagde Kim. "Det nye aspekt af vores forskning var, at vi brugte ligander, som vi meget nemt kan oversætte til den fleksible plastik; andre ligander er så ætsende, at plastikken faktisk smelter."

Fordi nanokrystallerne er spredt i en blæklignende væske, flere typer af deponeringsteknikker kan bruges til at lave kredsløb. I deres undersøgelse, forskerne brugte spincoating, hvor centrifugalkraft trækker et tyndt lag af opløsningen hen over en overflade, men nanokrystallerne kunne påføres gennem dypning, sprøjtning eller inkjet-print også.

På et fleksibelt plastark blev et bundlag af elektroder mønstret ved hjælp af en skyggemaske - i det væsentlige en stencil - for at markere et niveau af kredsløbet. Forskerne brugte derefter stencilen til at definere små områder af ledende guld for at lave de elektriske forbindelser til de øvre niveauer, der ville danne kredsløbet. Et isolerende aluminiumoxidlag blev indført, og et 30 nanometer lag af nanokrystaller blev coatet fra opløsning. Endelig, elektroder på det øverste niveau blev afsat gennem skyggemasker for i sidste ende at danne kredsløbene.

"De mere komplekse kredsløb er som bygninger med flere etager, " sagde Kagan. "Guldet fungerer som trapper, som elektronerne kan bruge til at rejse mellem disse etager."

Ved at bruge denne proces, forskerne byggede tre slags kredsløb for at teste nanokrystallernes ydeevne til kredsløbsapplikationer:en inverter, en forstærker og en ringoscillator.

"En inverter er den grundlæggende byggesten til mere komplekse kredsløb, " sagde Lai. "Vi kan også vise forstærkere, som forstærker signalamplituden i analoge kredsløb, og ringoscillatorer, hvor 'on' og 'off'-signaler udbredes korrekt over flere trin i digitale kredsløb."

"Og alle disse kredsløb fungerer med et par volt, " sagde Kagan. "Hvis du vil have elektronik til bærbare enheder, der skal fungere med batterier, de skal fungere ved lav spænding, ellers vil de ikke være nyttige."

Med kombinationen af ​​fleksibilitet, relativt enkle fremstillingsprocesser og lave strømkrav, disse cadmium selenid nanokrystal kredsløb kunne bane vejen for nye slags enheder og gennemgående sensorer, som kunne have biomedicinske eller sikkerhedsmæssige applikationer.

"Denne forskning åbner også muligheden for at bruge andre slags nanokrystaller, som vi har vist, er materialeaspektet ikke længere en begrænsning, " sagde Kim.