Binnen het project Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP) probeerden onderzoekers van Empa, EPFL en het Paul Scherrer Institute dunnefilmtransistoren met metaaloxiden te printen op warmtegevoelige materialen zoals papier of PET. Het doel werd uiteindelijk niet bereikt, maar de betrokkenen beschouwen het project als een succes - dankzij een nieuwe drukinkt en een transistor met 'geheugeneffect'.

De lat lag ongetwijfeld hoog:het doel was om te slagen in het printen van dunnefilmtransistors op papieren substraten of PET-films. Elektronische schakelingen met dergelijke elementen spelen een belangrijke rol in het groeiende Internet of Things (IoT), bijvoorbeeld als sensoren op documenten, flessen, verpakkingen - een wereldwijde markt met een waarde van miljarden.

Als het mogelijk zou zijn om dergelijke transistoren te vervaardigen met anorganische metaaloxiden, zou dit een overvloed aan nieuwe mogelijkheden openen. Vergeleken met organische materialen zoals het halfgeleidende polymeer polythiofeen, legt projectleider Yaroslav Romanyuk van Empa's Laboratory for Thin Films and Photovoltaics uit, zijn de elektronen in deze materialen veel mobieler. Ze kunnen daarom de prestaties van dergelijke elementen aanzienlijk verhogen en hoeven niet te worden beschermd tegen lucht en vocht met dure inkapseling.

Warmte als uitdaging

Er is een probleem met inkten die metaaloxiden bevatten:om een ​​stabiele transistor te vormen, moeten de materialen na het printen worden gesinterd, meestal in een oven. Als alternatief kan drogen en sinteren met licht worden gedaan, bijvoorbeeld met laaggolvige ultraviolette straling of een xenonlamp. De bedrukte laag wordt verwarmd met zeer korte lichtflitsen om de ondergrond te beschermen. Water, oplosmiddelen en bindmiddelen verlaten het materiaal in het proces.

Niettemin verhitten dergelijke processen het substraat tot 200 graden - veel te heet voor papier of PET, dat zijn sterkte begint te verliezen bij temperaturen rond de 80 graden, terwijl andere kunststoffen zoals polyimiden veel hogere temperaturen kunnen weerstaan.

Van 2017 tot 2021, in een project van de "Strategic Focus Area—Advanced Manufacturing" (SFA-AM), geïnitieerd door de ETH Board, experts van Empa, EPFL's Soft Transducers Laboratory en de Polymer Nanotechnology Group van het Paul Scherrer Institute (PSI) werkten samen aan elke stap van het proces - bijvoorbeeld coatings om het oppervlak van papier glad te maken, inktformuleringen, bestraling, enz. - en boekten behoorlijk wat vooruitgang.

Maar hun 'ultieme wens', zoals Romanyuk zegt, om functionele dunnefilmtransistors op papier te printen, kwam niet uit. Procestemperaturen waren nog te hoog, het materiaal te ruw. En de geprinte transistors op polymeerfilms hadden uiteindelijk een te laag elektrisch vermogen.

Verwacht het onverwachte

Teleurgesteld? Nee, zegt Jakob Heier van Empa's Functional Polymers-lab. "Het project was geenszins een mislukking." Niet alleen vanwege nieuwe inzichten in technische details, maar ook vanwege onverwachte 'nevenresultaten'.

"Dit was een zeer spannend project met veel verrassingen", zegt Heier, herinnerend aan een incident dat gevolgen zou hebben. Het ging om het materiaal grafeen, geleidende koolstof in atoomdunne lagen die ook goed geschikt is voor geprinte transistors op flexibele films.

Een promovendus in het team zou niet tevreden zijn dat grafeeninkten niet in hogere concentraties kunnen worden afgedrukt. De deeltjes aggregeren, ze klonteren samen, en op die manier kan zich geen dunne film vormen. In plaats van slechts één oplosmiddel te gebruiken, probeerde de onderzoeker een speciale emulsie van grafeen en drie oplosmiddelen. Maar ook deze coating faalde bij de eerste poging. Toen de inkt bij de volgende poging gelijkmatig werd gemengd en vervolgens werd onderworpen aan lichte schuifkrachten, slaagde het afdrukken echter.

Nieuwsgierig onderzochten de experts het fenomeen en ontdekten dat de schuifkrachten de structuur van de inkt fundamenteel veranderen. Het fijne grafeen schilfert in de vloeistof af, zodat van der Waalskrachten hun werk kunnen doen. Dit zijn relatief zwakke aantrekkingskrachten tussen atomen of moleculen. Het resultaat was een gelachtige inkt - zonder bindmiddelen zoals polymeren, die er anders voor zorgen dat de vloeistof zijn consistentie behoudt en niet segregeert.

Een proces met marktpotentieel

De onderzoekers realiseerden een oplossing met praktische voordelen die ook bij kamertemperatuur werkt:de inkt droogt zonder verhitting. Het bleek dat dergelijke Van der Waals-inkten niet alleen met grafeen kunnen worden geproduceerd, maar ook met andere tweedimensionale stoffen om te printen. Inmiddels is het proces gepatenteerd en hebben sommige bedrijven, volgens de experts, al interesse getoond in het produceren van de felbegeerde inkten - dit alles na een toeval dat het team met gezonde nieuwsgierigheid had onderzocht.

Het was niet de enige verrassing in het FOXIP-project, zoals Yaroslav Romanyuk vertelt. Een veldeffecttransistor met een isolerende laag van aluminiumoxide, gedrukt op een hittebestendig polyimideplastic, vertoonde een nogal eigenaardig gedrag. In plaats van een constant signaal, zoals te verwachten was, vertoonde het stijgende golven. Het uitgangssignaal werd sterker omdat het eerdere inkomende signalen "onthield".

"Zo'n 'geheugen'-effect laten zien is eigenlijk onwenselijk voor een transistor", legt Romanyuk uit.

Maar een andere student in het team had een idee om het fenomeen op een andere manier te gebruiken. Een transistor met zo'n geheugeneffect werkt op dezelfde manier als circuits in het menselijk brein. Synapsen tussen zenuwcellen zenden niet alleen signalen uit, maar slaan ze ook op. Voor computers die het menselijk brein nabootsen, zou zo'n synaptische transistor dus zeer interessant kunnen zijn. Maar wat zou het kunnen doen?

Met de steun van Mozart

Om het potentieel ervan te verkennen, bouwde het team een ​​elektronische kopie van het menselijke gehoorproces samen met de dunne-filmtransistor - en voerde het een populair Mozart-deuntje:Rondo "Alla Turca" uit Sonata No. 11 in A majeur.

"Het moest een levendig stuk worden", zegt Romanyuk met een glimlach. Dit experiment en verdere analyse toonden aan dat de synaptische functie van de transistor behouden blijft van enkele hertz tot bijna 50.000 hertz - een veel hogere bandbreedte dan vergelijkbare geprinte transistors.

Concrete toepassingen zijn natuurlijk nog niet in zicht voor dit fundamentele onderzoek, dat het team publiceerde in het online tijdschrift Scientific Reports —in tegenstelling tot drukinkten zonder bindmiddel. Maar op weg naar nieuwe computertechnologieën kunnen de inzichten een nuttige stap zijn die als een verrassing kwam, zoals vaak in de geschiedenis van de wetenschap.

Zulke toevalligheden zijn de kers op de taart voor Romanyuk en vele andere onderzoekers, vooral in projecten op de grens van wat haalbaar is.

"We hebben onze doelen bewust heel hoog gesteld", zegt hij. "Toevalligheden spelen daarbij een heel grote rol. Je stelt jezelf een grote uitdaging en dan, plotseling en onverwacht, gebeuren deze toevalligheden." + Verder verkennen

Fabricage van geprinte high-performance dunnefilmtransistoren die werken op één volt