Ingeniører udvikler de første transistorer udelukkende lavet af nanokrystalblæk

Transistoren er den mest grundlæggende byggesten i elektronik, bruges til at bygge kredsløb, der er i stand til at forstærke elektriske signaler eller skifte dem mellem 0'erne og 1'erne i hjertet af digital beregning. Transistorfremstilling er en meget kompleks proces, imidlertid, kræver høj temperatur, højvakuumudstyr.

Nu, University of Pennsylvania ingeniører har vist en ny tilgang til fremstilling af disse enheder:sekventielt deponere deres komponenter i form af flydende nanokrystal "blæk".

Deres nye undersøgelse, udgivet i Videnskab , åbner døren for elektriske komponenter, der kan indbygges i fleksible eller bærbare applikationer, da den lavere temperatur-proces er kompatibel med en bred vifte af materialer og kan anvendes på større områder.

Forskernes nanokrystalbaserede felteffekttransistorer blev mønstret på fleksible plastikunderlag ved hjælp af spincoating, men kunne til sidst konstrueres af additive produktionssystemer, som 3D-printere.

Undersøgelsen blev ledet af Cherie Kagan, Stephen J. Angello professor ved School of Engineering and Applied Science, og Ji-Hyuk Choi, derefter et medlem af hendes laboratorium, nu seniorforsker ved Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Han Wang, Soong Ju Åh, Taejong Paik og Pil Sung Jo fra Kagan-laboratoriet bidrog til arbejdet. De samarbejdede med Christopher Murray, en Penn integrerer vidensprofessor med ansættelser på School of Arts &Sciences og Penn Engineering; Murray laboratoriemedlemmer Xingchen Ye og Benjamin Diroll; og Jinwoo Sung fra Koreas Yonsei University.

Forskerne begyndte med at tage nanokrystaller, eller groft sfæriske partikler i nanoskala, med de elektriske kvaliteter, der er nødvendige for en transistor og dispergering af disse partikler i en væske, at lave nanokrystal blæk.

Kagans gruppe udviklede et bibliotek med fire af disse blæk:en dirigent (sølv), en isolator (aluminiumoxid), en halvleder (cadmiumselenid) og en leder kombineret med et dopemiddel (en blanding af sølv og indium). "Doping" af transistorens halvlederlag med urenheder styrer, om enheden transmitterer en positiv eller negativ ladning.

"Disse materialer er kolloider ligesom blækket i din inkjetprinter, " sagde Kagan, "men du kan få alle de egenskaber, du ønsker og forventer af de analoge bulkmaterialer, såsom om de er dirigenter, halvledere eller isolatorer.

"Vores spørgsmål var, om man kunne lægge dem ned på en overflade på en sådan måde, at de arbejder sammen om at danne funktionelle transistorer."

De elektriske egenskaber af flere af disse nanokrystal blæk var blevet uafhængigt verificeret, men de var aldrig blevet kombineret til fulde enheder.

"Dette er det første værk, "Choi sagde, "som viser, at alle komponenter, det metalliske, isolerende, og halvledende lag af transistorer, og selv dopingen af ​​halvlederen kunne være lavet af nanokrystaller."

En sådan proces indebærer lagdeling eller blanding af dem i præcise mønstre.

Først, det ledende sølv nanokrystal blæk blev aflejret fra væske på en fleksibel plastoverflade, der blev behandlet med en fotolitografisk maske, derefter hurtigt centrifugeret for at trække det ud i et jævnt lag. Masken blev derefter fjernet for at efterlade sølvblæk i form af transistorens gate-elektrode. Forskerne fulgte det lag ved at spin-coating et lag af den aluminiumoxid nanokrystal-baserede isolator, derefter et lag af den cadmiumselenid nanokrystal-baserede halvleder og til sidst endnu et maskeret lag til indium/sølv-blandingen, som danner transistorens source- og drænelektroder. Ved opvarmning ved relativt lave temperaturer, indium-doteringsmidlet diffunderede fra disse elektroder ind i halvlederkomponenten.

"Tricket med at arbejde med løsningsbaserede materialer er at sikre, at når du tilføjer det andet lag, det vasker ikke af først, og så videre, " sagde Kagan. "Vi var nødt til at behandle overfladerne af nanokrystallerne, både når de først er i opløsning og efter de er deponeret, for at sikre, at de har de rigtige elektriske egenskaber, og at de hænger sammen i den konfiguration, vi ønsker."

Fordi denne helt blækbaserede fremstillingsproces fungerer ved lavere temperaturer end eksisterende vakuumbaserede metoder, forskerne var i stand til at lave flere transistorer på samme fleksible plastunderlag på samme tid.

"At lave transistorer over større områder og ved lavere temperaturer har været mål for en ny klasse af teknologier, når folk tænker på tingenes internet, stort område fleksibel elektronik og bærbare enheder, " sagde Kagan. "Vi har ikke udviklet alle de nødvendige aspekter, så de kunne udskrives endnu, men fordi disse materialer alle er løsningsbaserede, det demonstrerer løftet om denne materialeklasse og sætter scenen for additiv fremstilling."