Nell'ambito del progetto Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP), i ricercatori dell'Empa, dell'EPFL e del Paul Scherrer Institute hanno tentato di stampare transistor a film sottile con ossidi di metallo su materiali sensibili al calore come carta o PET. L'obiettivo alla fine non è stato raggiunto, ma le persone coinvolte considerano il progetto un successo, grazie a un nuovo inchiostro da stampa e un transistor con "effetto memoria".

L'asticella era senza dubbio alta:l'obiettivo era riuscire a stampare transistor a film sottile su substrati di carta o pellicole PET. I circuiti elettronici con tali elementi svolgono un ruolo importante nella crescente Internet delle cose (IoT), ad esempio come sensori su documenti, bottiglie, imballaggi, un mercato globale che vale miliardi.

Se fosse possibile produrre tali transistor con ossidi metallici inorganici, ciò aprirebbe una pletora di nuove possibilità. Rispetto ai materiali organici come il polimero semiconduttore politiofene, spiega il leader del progetto Yaroslav Romanyuk del Laboratorio per film sottili e fotovoltaici dell'Empa, gli elettroni in questi materiali sono molto più mobili. Potrebbero quindi aumentare significativamente le prestazioni di tali elementi e non avrebbero bisogno di essere protetti dall'aria e dall'umidità con un costoso incapsulamento.

Il calore come sfida

C'è un problema con gli inchiostri contenenti ossidi metallici:per formare un transistor stabile, i materiali devono essere sinterizzati dopo la stampa, in genere in un forno. In alternativa, l'essiccazione e la sinterizzazione possono essere eseguite con la luce, ad esempio con radiazioni ultraviolette a onde basse o una lampada allo xeno. Lo strato stampato viene riscaldato con brevissimi lampi di luce per proteggere il supporto. Acqua, solventi e leganti lasciano il materiale nel processo.

Tuttavia, tali processi riscaldano il substrato fino a 200 gradi, decisamente troppo caldo per la carta o il PET, che inizia a perdere la sua resistenza a temperature intorno agli 80 gradi, mentre altre plastiche come le poliimmidi possono resistere a temperature molto più elevate.

Dal 2017 al 2021, in un progetto della "Strategic Focus Area—Advanced Manufacturing" (SFA-AM) avviato dal Board dei PF, esperti dell'Empa, del Soft Transducers Laboratory dell'EPFL e del Polymer Nanotechnology Group presso il Paul Scherrer Institute (PSI) hanno lavorato insieme in ogni fase del processo, ad esempio rivestimenti per levigare la superficie della carta, formulazioni di inchiostro, irradiazione, ecc., e hanno fatto un bel po' di progressi.

Ma il loro "desiderio finale", come dice Romanyuk, di stampare su carta transistor funzionali a film sottile, non si è avverato. Le temperature di processo erano ancora troppo elevate, il materiale troppo ruvido. E i transistor stampati su pellicole polimeriche alla fine avevano un'uscita elettrica troppo bassa.

Aspettati l'imprevisto

Deluso? No, dice Jakob Heier del laboratorio Functional Polymers di Empa. "Il progetto non è stato affatto un fallimento". Non solo per nuove intuizioni sui dettagli tecnici, ma anche per "risultati collaterali" inaspettati.

"Questo è stato un progetto molto eccitante con molte sorprese", dice Heier, ricordando un incidente che avrebbe avuto conseguenze. Coinvolgeva il materiale grafene, carbonio conduttivo in strati sottilissimi che è anche adatto per transistor stampati su film flessibili.

Uno studente di dottorato del team non sarebbe soddisfatto del fatto che gli inchiostri al grafene non possano essere stampati a concentrazioni più elevate. Le particelle si aggregano, si aggregano e non si può formare una pellicola sottile in questo modo. Invece di utilizzare un solo solvente, il ricercatore ha provato una speciale emulsione di grafene e tre solventi. Ma anche questo rivestimento ha fallito al primo tentativo. Tuttavia, quando l'inchiostro è stato miscelato in modo uniforme nel tentativo successivo e quindi sottoposto a leggere forze di taglio, la stampa è riuscita.

Curiosi, gli esperti hanno studiato il fenomeno e hanno scoperto che le forze di taglio cambiano radicalmente la struttura dell'inchiostro. Il grafene fine si sfalda nel liquido si riforma, in modo che le forze di van der Waals possano avere effetto. Queste sono forze attrattive relativamente deboli tra atomi o molecole. Il risultato è stato un inchiostro simile a un gel, senza leganti come i polimeri, che altrimenti assicurano che il liquido mantenga la sua consistenza e non segreghi.

Un processo con potenziale di mercato

I ricercatori hanno realizzato una soluzione con vantaggi pratici che funziona anche a temperatura ambiente:l'inchiostro si asciuga senza riscaldarsi. Come si è scoperto, tali inchiostri van der Waals possono essere prodotti non solo con grafene, ma anche con altre sostanze bidimensionali per la stampa. Nel frattempo, il processo è stato brevettato e alcune aziende, secondo gli esperti, stanno già mostrando interesse a produrre gli ambiti inchiostri, tutto questo dopo una coincidenza che il team aveva indagato con sana curiosità.

Non è stata l'unica sorpresa nel progetto FOXIP, come racconta Yaroslav Romanyuk. Un transistor ad effetto di campo con uno strato isolante di ossido di alluminio, stampato su una plastica poliimmidica resistente al calore, ha rivelato un comportamento piuttosto peculiare. Invece di un segnale costante, come ci si sarebbe aspettato, mostrava onde crescenti. Il segnale di uscita è diventato più forte perché "ricordava" i precedenti segnali in ingresso.

"Mostrare un tale effetto 'memoria' è in realtà indesiderabile per un transistor", spiega Romanyuk.

Ma un altro studente del team ha avuto l'idea di utilizzare il fenomeno in un modo diverso. Un transistor con un tale effetto memoria funziona in modo simile ai circuiti nel cervello umano. Le sinapsi tra le cellule nervose non solo trasmettono segnali, ma li immagazzinano. Per i computer che imitano il cervello umano, un tale transistor sinaptico potrebbe quindi essere molto interessante. Ma cosa potrebbe fare?

Con il supporto di Mozart

Per esplorarne il potenziale, il team ha costruito una copia elettronica del processo uditivo umano insieme al transistor a film sottile e l'ha alimentata con una famosa melodia di Mozart:Rondo "Alla Turca" dalla Sonata n. 11 in la maggiore.

"Doveva essere un pezzo vivace", dice Romanyuk con un sorriso. Questo esperimento e ulteriori analisi hanno mostrato che la funzione sinaptica del transistor è preservata da pochi hertz a quasi 50.000 hertz, una larghezza di banda molto più elevata rispetto ai transistor stampati comparabili.

Naturalmente, non sono ancora in vista applicazioni concrete per questa ricerca fondamentale, che il team ha pubblicato sulla rivista online Scientific Reports —in contrasto con gli inchiostri da stampa senza raccoglitori. Ma sulla strada per le nuove tecnologie informatiche, le intuizioni potrebbero essere un passo utile che ha sorpreso, come spesso accade nella storia della scienza.

Tali coincidenze sono la ciliegina sulla torta per Romanyuk e molti altri ricercatori, soprattutto in progetti sulla frontiera del fattibile.

"Abbiamo deliberatamente fissato i nostri obiettivi molto alti", dice. "Le coincidenze giocano un ruolo molto importante in questo. Ti sei posto una grande sfida e poi, all'improvviso e inaspettatamente, queste coincidenze accadono". + Esplora ulteriormente

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