Forskere udvikler en ny bionedbrydelig siliciumtransistor baseret på et materiale afledt af træ

Brugere af bærbar elektronik har en tendens til at opgradere deres enheder ofte, efterhånden som nye teknologier, der tilbyder mere funktionalitet og mere bekvemmelighed, bliver tilgængelige. En rapport offentliggjort af U.S. Environmental Protection Agency i 2012 viste, at omkring 152 millioner mobile enheder kasseres hvert år, hvoraf kun 10 procent genanvendes - en arv af affald, der forbruger en enorm mængde naturressourcer og producerer en masse affald lavet af dyre og ikke-biologisk nedbrydelige materialer som højt oprenset silicium.

Nu er forskere fra University of Wisconsin-Madison kommet med en ny løsning til at afhjælpe miljøbelastningen ved kasseret elektronik. De har demonstreret muligheden for at fremstille bionedbrydelige tyndfilmstransistorer fra en gennemsigtig, fleksibelt biologisk nedbrydeligt substrat lavet af billigt træ, kaldet cellulose nanofibrilleret fiber (CNF). Dette arbejde åbner døren for grønt, lavpris, bærbare elektroniske enheder i fremtiden.

I et papir offentliggjort i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , forskerne beskriver den biologisk nedbrydelige enhed.

"Vi fandt ud af, at cellulose nanofibrillerede fiberbaserede transistorer udviser overlegen ydeevne end konventionelle siliciumbaserede transistorer, " sagde Zhenqiang Ma, teamlederen og en professor i elektro- og computerteknik ved UW-Madison. "Og de biobaserede transistorer er så sikre, at du kan sætte dem i skoven, og svamp vil hurtigt nedbryde dem. De bliver lige så sikre som gødning."

I dag, størstedelen af ​​bærbar elektronik er bygget på ikke-vedvarende, ikke-biologisk nedbrydelige materialer såsom siliciumwafers, som er højt rensede, dyre og stive underlag, men cellulose nanofibrillerede fiberfilm har potentialet til at erstatte siliciumwafers som elektroniske substrater i miljøvenlige, lavpris, bærbare gadgets eller fremtidens enheder.

Cellulose nanofibrilleret fiber er en bæredygtig, stærk, gennemsigtigt nanomateriale lavet af træ. Sammenlignet med andre polymerer som plastik, trænanomaterialet er biokompatibelt og har relativt lav termisk udvidelseskoefficient, hvilket betyder, at materialet ikke ændrer form, når temperaturen ændres. Alle disse overlegne egenskaber gør cellulose nanofibril til en fremragende kandidat til fremstilling af bærbar grøn elektronik.

For at skabe højtydende enheder, Ma's team brugte siliciumnanomembraner som det aktive materiale i transistoren - stykker af ultratynde film (tyndere end et menneskehår) skrællet fra bulkkrystallen og derefter overført og limet på cellulosenanofibrill-substratet for at skabe et fleksibelt, bionedbrydelig og gennemsigtig siliciumtransistor.

Men for at lave bærbar elektronik, den biologisk nedbrydelige transistor, der er nødvendig for at kunne fungere ved mikrobølgefrekvenser, som er arbejdsområdet for de fleste trådløse enheder. Forskerne gennemførte således en række eksperimenter, såsom måling af strøm-spændingskarakteristika for at studere enhedens funktionelle ydeevne, som endelig viste, at den bionedbrydelige transistor har overlegne mikrobølgefrekvensdriftsevner, der kan sammenlignes med eksisterende halvledertransistorer.

"Bionedbrydelig elektronik giver en ny løsning på miljøproblemer forårsaget af forbrugernes jagt efter hurtigt opgraderede bærbare enheder, " sagde Ma. "Det kan forventes, at fremtidige elektroniske chips og bærbare enheder vil være meget grønnere og billigere end i dag."

Næste, Ma og kolleger planlægger at udvikle et mere kompliceret kredsløbssystem baseret på de bionedbrydelige transistorer.