(Phys.org)—I circuiti elettronici sono generalmente integrati in wafer di silicio rigidi, ma la flessibilità apre una vasta gamma di applicazioni. In un mondo in cui l'elettronica sta diventando sempre più pervasiva, la flessibilità è un tratto altamente desiderabile, ma trovare materiali con il giusto mix di prestazioni e costi di produzione rimane una sfida.

Ora un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania ha dimostrato che le particelle su nanoscala, o nanocristalli, del semiconduttore seleniuro di cadmio può essere "stampato" o "rivestito" su plastica flessibile per formare elettronica ad alte prestazioni.

La ricerca è stata guidata da David Kim, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science; Yuming Lai, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi della Scuola di Ingegneria; e la professoressa Cherie Kagan, che ha incarichi in entrambi i dipartimenti e nel Dipartimento di Chimica della Scuola delle Arti e delle Scienze. Benjamin Diroll, uno studente di dottorato in chimica, e Penn Integrates Knowledge Anche il professor Christopher Murray di Scienza dei materiali e di Chimica ha collaborato alla ricerca.

Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Abbiamo un benchmark prestazionale nel silicio amorfo, qual è il materiale che esegue il display del tuo laptop, tra gli altri dispositivi, " disse Kagan. "Ecco, mostriamo che questi dispositivi a nanocristalli di seleniuro di cadmio possono spostare gli elettroni 22 volte più velocemente rispetto al silicio amorfo".

Oltre alla velocità, un altro vantaggio dei nanocristalli di seleniuro di cadmio rispetto al silicio amorfo è la temperatura alla quale vengono depositati. Considerando che il silicio amorfo utilizza un processo che opera a diverse centinaia di gradi, i nanocristalli di seleniuro di cadmio possono essere depositati a temperatura ambiente e ricotti a temperature miti, aprendo la possibilità di utilizzare fondazioni in plastica più flessibili.

Un'altra innovazione che ha permesso ai ricercatori di utilizzare la plastica flessibile è stata la scelta dei ligandi, le catene chimiche che si estendono dalle superfici dei nanocristalli e aiutano a facilitare la conduttività mentre vengono impacchettate insieme in una pellicola.

"Ci sono stati molti studi sul trasporto di elettroni sul seleniuro di cadmio, ma fino a poco tempo non siamo stati in grado di ottenere buone prestazioni da loro, " Kim ha detto. "Il nuovo aspetto della nostra ricerca è stato che abbiamo utilizzato ligandi che possiamo tradurre molto facilmente sulla plastica flessibile; altri ligandi sono così caustici che la plastica si scioglie davvero".

Poiché i nanocristalli sono dispersi in un liquido simile all'inchiostro, più tipi di tecniche di deposizione possono essere utilizzati per realizzare circuiti. Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato lo spincoating, dove la forza centrifuga tira uno strato sottile della soluzione su una superficie, ma i nanocristalli potrebbero essere applicati per immersione, anche la stampa a spruzzo o a getto d'inchiostro.

Su un foglio di plastica flessibile è stato modellato uno strato inferiore di elettrodi utilizzando una maschera d'ombra, essenzialmente uno stencil, per delimitare un livello del circuito. I ricercatori hanno quindi utilizzato lo stencil per definire piccole regioni di oro conduttore per realizzare i collegamenti elettrici ai livelli superiori che avrebbero formato il circuito. È stato introdotto uno strato isolante di ossido di alluminio e dalla soluzione è stato rivestito uno strato di nanocristalli di 30 nanometri. Finalmente, gli elettrodi al livello superiore sono stati depositati attraverso maschere d'ombra per formare infine i circuiti.

"I circuiti più complessi sono come edifici a più piani, " Ha detto Kagan. "L'oro si comporta come le scale che gli elettroni possono usare per viaggiare tra quei piani".

Utilizzando questo processo, i ricercatori hanno costruito tre tipi di circuiti per testare le prestazioni dei nanocristalli per applicazioni circuitali:un inverter, un amplificatore e un oscillatore ad anello.

"Un inverter è l'elemento fondamentale per i circuiti più complessi, " Lai ha detto. "Possiamo anche mostrare amplificatori, che amplificano l'ampiezza del segnale nei circuiti analogici, e oscillatori ad anello, dove i segnali "on" e "off" si propagano correttamente su più stadi nei circuiti digitali."

"E tutti questi circuiti funzionano con un paio di volt, " ha detto Kagan. "Se vuoi l'elettronica per i dispositivi portatili che funzioneranno con le batterie, devono funzionare a bassa tensione o non saranno utili."

Con la combinazione di flessibilità, processi di fabbricazione relativamente semplici e bassi requisiti di potenza, questi circuiti di nanocristalli di seleniuro di cadmio potrebbero aprire la strada a nuovi tipi di dispositivi e sensori pervasivi, che potrebbero avere applicazioni biomediche o di sicurezza.

"Questa ricerca apre anche alla possibilità di utilizzare altri tipi di nanocristalli, come abbiamo dimostrato l'aspetto dei materiali non è più un limite, " ha detto Kim.