Επιστήμονες αναπτύσσουν το πρώτο τρανζίστορ φτιαγμένο με «μελάνες» νανοκρυστάλλων και αφήνουν υποσχέσεις για νέα υλικά

Μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο της Pennsylvania έκαναν μια νέα προσέγγιση για κατασκευή τρανζίστορ, με τη διαδοχική εναπόθεση των συστατικών τους με μορφή υγρών «μελανών» νανοκρυστάλλων. Με τη μελέτη τους, ανοίγει ο δρόμος για την ενσωμάτωση ηλεκτρικών συστατικών μιας συσκευής σε εύκαμπτες ή φορητές εφαρμογές, καθώς η διαδικασία χαμηλότερης θερμοκρασίας που εφαρμόζεται είναι συμβατή με μια ευρεία γκάμα υλικών και μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλες επιφάνειες.

Το τρανζίστορ είναι το βασικότερο συστατικό μέρος των ηλεκτρονικών συσκευών, που χρησιμοποιείται για να κατασκευαστούν κυκλώματα ικανά να ενισχύουν ηλεκτρικά σήματα ή για να τα μετατρέπουν σε 0 και 1 που αποτελούν την καρδιά του ψηφιακού υπολογισμού. Ωστόσο, υπάρχει μια δυσκολία: Η διαδικασία κατασκευής του τρανζίστορ είναι μια πολύ σύνθετη διαδικασία που απαιτεί εξοπλισμό με υψηλή θερμοκρασία και υψηλό κενό.

Το βασισμένο σε νανοκρυστάλλους τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistor ή FET) των ερευνητών, διαμορφώθηκε επάνω σε μια εύκαμπτη πλαστική βάση με χρήση περιστροφικής επίστρωσης, αλλά θα μπορούσε τελικά να κατασκευαστεί με προσθετικά συστήματα παραγωγής, όπως οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν λαμβάνοντας νανοκρυστάλλους ή περίπου σφαιρικά σωματίδια σε νανοκλίμακα, με τις απαραίτητες ηλεκτρικές ιδιότητες για ένα τρανζίστορ και διέλυσαν αυτά τα σωματίδια σε υγρό, παρασκευάζοντας μελάνη νανοκρυστάλλων. Η επιστημονική ομάδα ανέπτυξε τέσσερις τέτοιες μελάνες: μια αγωγό (με άργυρο), μια μονωτή (με οξείδιο του αργιλίου), μια ημιαγωγό (με σεληνιούχο κάδμιο) και μια αγωγό που συνδυάζονταν με μια πρόσμιξη (ένα μίγμα αργύρου και ίνδιου). «Ενισχύοντας» το ημιαγωγό στρώμα του τρανζίστορ με προσμίξεις ελέγχεται εάν η συσκευή θα μεταφέρει θετικό ή αρνητικό φορτίο. Αυτά τα υλικά είναι κολλοειδή όπως η μελάνη των εκτυπωτών-inkjet.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες αυτών των νανοκρυσταλλικών μελανών είχαν επαληθευτεί ανεξάρτητα, αλλά ποτέ δεν είχαν συνδυαστεί σε μια πλήρη συσκευή. Αυτή είναι η πρώτη φορά που όλα τα συστατικά-το μεταλλικό, το μονωτικό και το ημιαγώγιμο-στρώματα του τρανζίστορ και το ενισχυμένο ακόμη του ημιαγωγού, αποτελούνταν από νανοκρυστάλλους. Μια τέτοια διαδικασία απαιτεί να τοποθετηθούν σε στρώματα ή να αναμιχθούν όλα τα συστατικά με βάση ακριβή πρότυπα.

Πρώτα, εναποτέθηκε από το υγρό η αγωγός νανοκρυσταλλική μελάνη αργύρου σε μια ευέλικτη πλαστική επιφάνεια που αλείφθηκε με μια φωτολιθογραφική μάσκα, μετά περιστράφηκε γρήγορα για να απλωθεί σε ένα ακόμη στρώμα. Η μάσκα αφαιρέθηκε για να αφήσει τη μελάνη αργύρου στο σχήμα του ηλεκτροδίου-πύλη του τρανζίστορ. Στη συνέχεια εναποτέθηκαν με περιστροφική επίστρωση το στρώμα του μονωτή με τους νανοκρυστάλλους του οξειδίου του αργιλίου, μετά το στρώμα του ημιαγωγού με τους νανοκρυστάλλους του σεληνιούχου καδμίου και τέλος ένα άλλο καλυπτικό στρώμα με το μίγμα ίνδιου-αργύρου, που σχημάτισε τα ηλεκτρόδια πηγή και απαγωγός (ή υποδοχή) του τρανζίστορ. Κατά τη θέρμανση σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, η πρόσμιξη του ίνδιου διαχύθηκε από αυτά τα ηλεκτρόδια στον ημιαγωγό.

Εξαιτίας αυτής της εξ ολοκλήρου βασισμένη στη μελάνη διαδικασία παραγωγής που λειτουργεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, παρά στις υπάρχουσες μεθόδους που βασίζονται στο κενό, οι ερευνητές μπορούν να κατασκευάσουν, στον ίδιο χρόνο, διάφορα τρανζίστορ στο ίδιο πλαστικό υπόστρωμα. Η κατασκευή τρανζίστορ επάνω σε μεγαλύτερες επιφάνειες και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες στοχεύει στην ανάπτυξη μιας νέας τάξης τεχνολογιών, που να εφαρμόζονται σε μεγάλες επιφάνειες με εύκαμπτες ηλεκτρονικές και φορητές συσκευές. Δεν έχουν ακόμα αναπτυχθεί όλα τα απαραίτητα στοιχεία ώστε να μπορούν να εκτυπωθούν, αλλά επειδή αυτά τα υλικά βασίζονται όλα σε διαλύματα καταδεικνύεται η υπόσχεση αυτής της κατηγορίας υλικών και θέτει τις βάσεις για την προσθετική παραγωγή.

Πηγή: University of Pennsylvania

Περισσότερα στη μελέτη: Exploiting the colloidal nanocrystal library to construct electronic devices, Science