De transistor is de meest fundamentele bouwsteen van de elektronica, gebruikt om circuits te bouwen die elektrische signalen kunnen versterken of schakelen tussen de nullen en enen in het hart van digitale berekeningen. Transistorfabricage is een zeer complex proces, echter, vereisen hoge temperatuur, hoogvacuüm apparatuur.

Nutsvoorzieningen, Ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben een nieuwe benadering getoond voor het maken van deze apparaten:hun componenten achtereenvolgens deponeren in de vorm van vloeibare nanokristal-"inkten".

Hun nieuwe studie, gepubliceerd in Wetenschap , opent de deur voor elektrische componenten die kunnen worden ingebouwd in flexibele of draagbare toepassingen, omdat het proces bij lagere temperaturen compatibel is met een breed scala aan materialen en op grotere gebieden kan worden toegepast.

De op nanokristallen gebaseerde veldeffecttransistoren van de onderzoekers werden met behulp van spincoating op flexibele plastic ruggen gepatroneerd, maar zouden uiteindelijk kunnen worden geconstrueerd door additieve productiesystemen. zoals 3D-printers.

De studie werd geleid door Cherie Kagan, de Stephen J. Angello Professor aan de School of Engineering and Applied Science, en Ji-Hyuk Choi, toen een lid van haar lab, nu een senior onderzoeker aan het Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Han Wang, Song Ju Oh, Taejong Paik en Pil Sung Jo van het Kagan-lab droegen bij aan het werk. Ze werkten samen met Christopher Murray, een Penn Integrates Knowledge Professor met aanstellingen in de School of Arts &Sciences en Penn Engineering; Murray lab-leden Xingchen Ye en Benjamin Diroll; en Jinwoo Sung van de Yonsei University in Korea.

De onderzoekers begonnen met het nemen van nanokristallen, of ruwweg bolvormige deeltjes op nanoschaal, met de elektrische eigenschappen die nodig zijn voor een transistor en deze deeltjes verspreiden in een vloeistof, nanokristallen maken.

Kagan's groep ontwikkelde een bibliotheek van vier van deze inkten:een dirigent (zilver), een isolator (aluminiumoxide), een halfgeleider (cadmiumselenide) en een geleider gecombineerd met een doteerstof (een mengsel van zilver en indium). "Doping" van de halfgeleiderlaag van de transistor met onzuiverheden bepaalt of het apparaat een positieve of negatieve lading uitzendt.

"Deze materialen zijn colloïden, net als de inkt in je inkjetprinter, "Kagan zei, "maar je kunt alle eigenschappen krijgen die je wilt en verwacht van de analoge bulkmaterialen, zoals of het geleiders zijn, halfgeleiders of isolatoren.

"Onze vraag was of je ze zo op een oppervlak zou kunnen leggen dat ze samenwerken om functionele transistoren te vormen."

De elektrische eigenschappen van verschillende van deze nanokristalinkten waren onafhankelijk geverifieerd, maar ze waren nooit gecombineerd tot volledige apparaten.

"Dit is het eerste werk, " zei Choi, "wat aantoont dat alle componenten, de metalen, isolerend, en halfgeleidende lagen van de transistors, en zelfs de dotering van de halfgeleider zou van nanokristallen kunnen worden gemaakt."

Een dergelijk proces omvat het aanbrengen van lagen of het mengen in precieze patronen.

Eerst, de geleidende zilveren nanokristalinkt werd uit vloeistof afgezet op een flexibel plastic oppervlak dat werd behandeld met een fotolithografisch masker, vervolgens snel rondgedraaid om het in een gelijkmatige laag uit te trekken. Het masker werd vervolgens verwijderd om de zilveren inkt in de vorm van de poortelektrode van de transistor achter te laten. De onderzoekers volgden die laag door een laag van de op aluminiumoxide nanokristallen gebaseerde isolator te spin-coaten, dan een laag van de op cadmiumselenide nanokristallen gebaseerde halfgeleider en tenslotte nog een gemaskeerde laag voor het indium/zilvermengsel, die de bron- en afvoerelektroden van de transistor vormt. Bij verwarming bij relatief lage temperaturen, het indiumdoteringsmiddel diffundeerde van die elektroden in de halfgeleidercomponent.

"De truc bij het werken met oplossingsgerichte materialen is ervoor te zorgen dat, wanneer u de tweede laag toevoegt, het spoelt de eerste niet weg, enzovoort, " zei Kagan. "We moesten de oppervlakken van de nanokristallen behandelen, zowel wanneer ze voor het eerst in oplossing zijn als nadat ze zijn gedeponeerd, om ervoor te zorgen dat ze de juiste elektrische eigenschappen hebben en dat ze aan elkaar blijven plakken in de configuratie die we willen."

Omdat dit volledig op inkt gebaseerde fabricageproces bij lagere temperaturen werkt dan bestaande op vacuüm gebaseerde methoden, de onderzoekers konden tegelijkertijd meerdere transistors maken op dezelfde flexibele plastic achterkant.

"Het maken van transistors over grotere gebieden en bij lagere temperaturen zijn doelen geweest voor een opkomende klasse van technologieën, als mensen denken aan het internet der dingen, grote oppervlakte flexibele elektronica en draagbare apparaten, "Zei Kagan. "We hebben nog niet alle noodzakelijke aspecten ontwikkeld zodat ze nog kunnen worden afgedrukt, maar omdat deze materialen allemaal oplossingsgericht zijn, het demonstreert de belofte van deze materiaalklasse en zet de toon voor additive manufacturing."