(Phys.org)—Elektronische circuits zijn typisch geïntegreerd in stijve siliciumwafels, maar flexibiliteit opent een breed scala aan toepassingen. In een wereld waar elektronica steeds alomtegenwoordig wordt, flexibiliteit is een zeer wenselijke eigenschap, maar het vinden van materialen met de juiste mix van prestaties en productiekosten blijft een uitdaging.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania aangetoond dat deeltjes op nanoschaal, of nanokristallen, van de halfgeleider cadmiumselenide kan worden "gedrukt" of "gecoat" op flexibele kunststoffen om hoogwaardige elektronica te vormen.

Het onderzoek werd geleid door David Kim, een doctoraatsstudent bij de afdeling Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science; Yuming Lai, een doctoraatsstudent in de afdeling Electrical and Systems Engineering van de Engineering School; en professor Cherie Kagan, die zowel aanstellingen heeft in beide departementen als in het departement Scheikunde van de School of Arts and Sciences. Benjamin Diroll, een doctoraalstudent scheikunde, en Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray van Materials Science and of Chemistry werkte ook mee aan het onderzoek.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We hebben een prestatiebenchmark in amorf silicium, wat is het materiaal dat het scherm in uw laptop laat draaien, onder andere apparaten, ' zei Kagan. 'Hier, we laten zien dat deze cadmiumselenide nanokristallen apparaten 22 keer sneller elektronen kunnen verplaatsen dan in amorf silicium."

Naast snelheid, een ander voordeel van nanokristallen van cadmiumselenide ten opzichte van amorf silicium is de temperatuur waarbij ze worden afgezet. Terwijl amorf silicium een ​​proces gebruikt dat op enkele honderden graden werkt, cadmiumselenide-nanokristallen kunnen bij kamertemperatuur worden afgezet en bij milde temperaturen worden uitgegloeid, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om flexibelere kunststof funderingen te gebruiken.

Een andere innovatie waarmee de onderzoekers flexibel plastic konden gebruiken, was hun keuze van liganden, de chemische ketens die zich uitstrekken vanaf het oppervlak van de nanokristallen en helpen de geleidbaarheid te vergemakkelijken als ze samen in een film worden verpakt.

"Er zijn veel onderzoeken naar elektronentransport uitgevoerd op cadmiumselenide, maar tot voor kort hebben we er geen goede prestaties uit kunnen halen, " zei Kim. "Het nieuwe aspect van ons onderzoek was dat we liganden gebruikten die we heel gemakkelijk op het flexibele plastic kunnen vertalen; andere liganden zijn zo bijtend dat het plastic echt smelt."

Omdat de nanokristallen zijn gedispergeerd in een inktachtige vloeistof, meerdere soorten depositietechnieken kunnen worden gebruikt om circuits te maken. In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten spincoating, waar middelpuntvliedende kracht een dunne laag van de oplossing over een oppervlak trekt, maar de nanokristallen kunnen worden aangebracht door middel van onderdompeling, ook spuiten of inkjetprinten.

Op een flexibel plastic vel werd een onderste laag elektroden van een patroon voorzien met behulp van een schaduwmasker - in wezen een stencil - om één niveau van het circuit af te bakenen. De onderzoekers gebruikten vervolgens het sjabloon om kleine gebieden van geleidend goud te definiëren om de elektrische verbindingen te maken naar de hogere niveaus die het circuit zouden vormen. Een isolerende aluminiumoxidelaag werd ingebracht en een 30 nanometer laag nanokristallen werd uit de oplossing gecoat. Eindelijk, elektroden op het hoogste niveau werden door schaduwmaskers afgezet om uiteindelijk de circuits te vormen.

"De meer complexe circuits zijn als gebouwen met meerdere verdiepingen, "Zei Kagan. "Het goud werkt als trappen die de elektronen kunnen gebruiken om tussen die verdiepingen te reizen."

Met behulp van dit proces, de onderzoekers bouwden drie soorten circuits om de prestaties van nanokristallen voor circuittoepassingen te testen:een omvormer, een versterker en een ringoscillator.

"Een omvormer is de fundamentele bouwsteen voor complexere circuits, Lai zei. "We kunnen ook versterkers laten zien, die de signaalamplitude in analoge circuits versterken, en ringoscillatoren, waar 'aan'- en 'uit'-signalen zich goed verspreiden over meerdere fasen in digitale circuits."

"En al deze circuits werken met een paar volt, "Zei Kagan. "Als je elektronica wilt voor draagbare apparaten die met batterijen gaan werken, ze moeten op lage spanning werken, anders zijn ze niet nuttig."

Met de combinatie van flexibiliteit, relatief eenvoudige fabricageprocessen en lage stroomvereisten, deze cadmiumselenide nanokristalcircuits kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe soorten apparaten en doordringende sensoren, die biomedische of beveiligingstoepassingen kunnen hebben.

"Dit onderzoek opent ook de mogelijkheid om andere soorten nanokristallen te gebruiken, zoals we hebben aangetoond, is het materiaalaspect geen beperking meer, ' zei Kim.