ساخت ترانزیستورهای لایه نازک 1 بعدی-2 بعدی انعطاف پذیر با استفاده از پرینت ایروسل
Flexible, Print-in-Place 1D-2D Thin-Film Transistors Using Aerosol Jet Printing
استفاده از فناوری‌های پرینت برای تولید ادوات الکترونیکی انعطاف‌پذیر به سرعت در حال رشد است که به دلیل سادگی، قیمت پایین، و سازگاری با محدوده گسترده‌ای از مواد می‌باشد. این مزایا موجب شده است که ادوات الکترونیکی پرینت شده برای توسعه کاربردهایی با مساحت بالا و پرینت مستقیم، به کار روند. ادوات الکترونیکی پرینت شده شامل انتقال جوهر دارای مواد کاربردی به یک زیرلایه می‌شود که از طریق فرایندهایی مانند پوشش دهی اسپری، و پرینت roll-to-roll، یا روش‌های نوشتار مستقیم مانند پرینت کردن ایروسل یا جوهر، انجام می‌شوند. در حال حاضر، انواع مختلفی از جوهرهای قابل پرینت وجود دارد که دارای مواد آلی، اکسیدهای فلزی، نانوساختارهای فلزی، و مواد پایه کربنی هستند. مواد الکترونیکی آلی به طور معمول نیمه رسانا هستند و ضعف آن‌ها این است که تحرک پذیری حامل پایینی داشته و پایداری ضعیفی دارند. جوهرهای نیمه رسانای اکسید فلزی معمولا به دمای فرایند بالایی نیاز دارند که انتخاب نوع پیش ماده و روش‌های پرینت کردن را محدود می‌کند. در مقابل، نانولوله‌های کربنی نیمه رسانا خواص الکترونی، شیمیایی، و مکانیکی بسیار خوبی دارند که شامل تحرک پذیری بالای حامل‌های بار، پایداری، انعطاف پذیری، و نسبت سطح به حجم بالا می‌شود.
نانولوله‌های کربنی نیمه رسانای پرینت شده بر روی لایه‌های نازک عملکرد الکریکی بالا، پایداری مکانیکی عالی، و سازگاری بسیار خوبی با فرایندهای دما پایین دارند. تا کنون، اجرای فرایند پرینت ادوات دما پایین، مانند ترانزیستورهای لایه نازک نانولوله کربنی میسر نشده است. در یک کار فوق‌العاده که در مجله معتبر ACS Nano منتشر شده است، محققین دانشگاه دوک در ایالات متحده و دانشگاه منچستر توانسته‌اند بر محدودیت‌های دمایی غلبه کنند. در این پژوهش، محققین توانسته‌اند ترانزیستورهای لایه نازک 1 بعدی-2 بعدی را از طریق یک فرایند دما پایین (حداکثر دما، 80 درجه سانتیگراد) پرینت کنند که در آن، نیازی به حذف زیرلایه از پرینتر وجود نداشته است). این فرایند با استفاده از یک پرینتر جت ایروسل انجام شده است. کانال‌های نانولوله کربنی 1 بعدی نیمه رسانا به همراه با گِیت دی‌الکتریک از جنس نیترید-بور هگزاگونال 2 بعدی، و میزان کمی نانوسیم‌های نقره به عنوان الکترودهای رسانا به کار رفته‌اند، و تمام آن‌ها با استفاده از یک پرینتر بر روی زیرلایه رونشین شدند. لایه‌های نیترید بور هگزاگونال پرینت شده با استفاده یک فرمولاسیون مناسب جوهر ساخته شدند که از هیدروکسی پروپیل متیل سلولز استفاده می‌کند و از توزیع مجدد بین لایه‌های مجاور پرینت شده، جلوگیری می‌کند. علاوه برنرخ ON/OFF بسیار بالا و برابر با 350000، تحرک پذیری کانال تا 10.7 cm2•V-1•s-1، و هیستریزیس پایین گِیت، این ادوات پرینت شده استحکام مکانیکی فوق‌العاده‌ای نیز از خود نشان دادند. این ادوات پایداری بسیار بالایی نسبت به خمش داشتند که پس از 1000 چرخه خمش با میزان کرنش 2.1%، عملکرد آن با تغییرات اندکی همراه بود. علاوه بر آن، ادوات پرینت شده نیازی به فرایندهای دما بالا برای دستیابی به عملکرد بهینه نداشتند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که این روش از پتانسیل بسیار خوبی برای پرینت ادوات الکترونیکی برخوردار است.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes-مترس)