Il transistor è l'elemento fondamentale dell'elettronica, utilizzato per costruire circuiti in grado di amplificare i segnali elettrici o di commutarli tra gli 0 e gli 1 nel cuore del calcolo digitale. La fabbricazione di transistor è un processo altamente complesso, però, che richiedono alta temperatura, apparecchiature ad alto vuoto.

Ora, Gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno mostrato un nuovo approccio per realizzare questi dispositivi:depositare in sequenza i loro componenti sotto forma di "inchiostri" di nanocristalli liquidi.

Il loro nuovo studio, pubblicato in Scienza , apre le porte all'integrazione di componenti elettrici in applicazioni flessibili o indossabili, poiché il processo a bassa temperatura è compatibile con un'ampia gamma di materiali e può essere applicato ad aree più grandi.

I transistor ad effetto di campo basati su nanocristalli dei ricercatori sono stati modellati su supporti di plastica flessibili utilizzando il rivestimento a rotazione, ma potrebbero eventualmente essere costruiti da sistemi di produzione additiva, come le stampanti 3D.

Lo studio è stato condotto da Cherie Kagan, il Professore Stephen J. Angello nella Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e Ji-Hyuk Choi, poi un membro del suo laboratorio, ora ricercatore senior presso il Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Han Wang, Soong Ju Oh, Taejong Paik e Pil Sung Jo del laboratorio Kagan hanno contribuito al lavoro. Hanno collaborato con Christopher Murray, un Penn Integrates Knowledge Professor con incarichi nella School of Arts &Sciences e Penn Engineering; Xingchen Ye e Benjamin Diroll, membri del laboratorio di Murray; e Jinwoo Sung della Yonsei University in Corea.

I ricercatori hanno iniziato prendendo nanocristalli, o particelle più o meno sferiche su nanoscala, con le qualità elettriche necessarie per un transistor e disperdendo queste particelle in un liquido, fare inchiostri a nanocristalli.

Il gruppo di Kagan ha sviluppato una libreria di quattro di questi inchiostri:un conduttore (argento), un isolante (ossido di alluminio), un semiconduttore (seleniuro di cadmio) e un conduttore combinato con un drogante (una miscela di argento e indio). Il "doping" dello strato semiconduttore del transistor con impurità controlla se il dispositivo trasmette una carica positiva o negativa.

"Questi materiali sono colloidi proprio come l'inchiostro della tua stampante a getto d'inchiostro, "Kagan ha detto, "ma puoi ottenere tutte le caratteristiche che desideri e ti aspetti dagli analoghi materiali sfusi, come se sono conduttori, semiconduttori o isolanti.

"La nostra domanda era se potevi appoggiarli su una superficie in modo che funzionino insieme per formare transistor funzionali".

Le proprietà elettriche di molti di questi inchiostri a nanocristalli sono state verificate in modo indipendente, ma non erano mai stati combinati in dispositivi completi.

"Questo è il primo lavoro, "Cho ha detto, "dimostrando che tutti i componenti, il metallico, isolante, e strati semiconduttori dei transistor, e anche il drogaggio del semiconduttore potrebbe essere fatto da nanocristalli".

Tale processo comporta la stratificazione o la miscelazione in schemi precisi.

Primo, l'inchiostro nanocristallino d'argento conduttivo è stato depositato dal liquido su una superficie di plastica flessibile che è stata trattata con una maschera fotolitografica, quindi ruotato rapidamente per disegnarlo in uno strato uniforme. La maschera è stata quindi rimossa per lasciare l'inchiostro d'argento nella forma dell'elettrodo di gate del transistor. I ricercatori hanno seguito quello strato rivestendo per rotazione uno strato dell'isolante a base di nanocristalli di ossido di alluminio, quindi uno strato del semiconduttore a base di nanocristalli di seleniuro di cadmio e infine un altro strato mascherato per la miscela indio/argento, che forma gli elettrodi di source e drain del transistor. Al riscaldamento a temperature relativamente basse, il drogante di indio diffuso da quegli elettrodi nel componente semiconduttore.

"Il trucco nel lavorare con materiali basati su soluzioni è assicurarsi che, quando aggiungi il secondo strato, non si lava via il primo, e così via, " ha detto Kagan. "Abbiamo dovuto trattare le superfici dei nanocristalli, sia quando sono prima in soluzione che dopo che sono stati depositati, per assicurarci che abbiano le giuste proprietà elettriche e che restino uniti nella configurazione che vogliamo."

Poiché questo processo di fabbricazione interamente a base di inchiostro funziona a temperature inferiori rispetto ai metodi esistenti basati sul vuoto, i ricercatori sono stati in grado di realizzare contemporaneamente diversi transistor sullo stesso supporto di plastica flessibile.

"Realizzare transistor su aree più grandi e a temperature più basse sono stati gli obiettivi di una classe emergente di tecnologie, quando le persone pensano all'Internet delle cose, elettronica flessibile per grandi aree e dispositivi indossabili, " ha detto Kagan. "Non abbiamo ancora sviluppato tutti gli aspetti necessari in modo che possano essere stampati ancora, ma poiché questi materiali sono tutti basati su soluzioni, dimostra la promessa di questa classe di materiali e pone le basi per la produzione additiva".