Химики напечатали перерабатываемый транзистор на бумажной подложке

Американские ученые напечатали перерабатываемый транзистор на бумажной подложке. Все части транзистора изготовили из нетоксичных углеродных материалов: наноцеллюлозы, углеродных нанотрубок и графена. Устройство может работать шесть месяцев при нормальной влажности и температуре, после чего углеродные нанотрубки и графен можно растворить и использовать снова. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.

Каждый год мы выбрасываем более пятидесяти миллионов тонн всевозможной электроники, а с ростом популярности носимых сенсоров и умных татуировок проблема встанет еще острей — ведь многие такие устройства будут одноразовыми. Электронные отходы нередко содержат в себе токсичные металлы и другие вещества, которые загрязняют почву и грунтовые воды. Поэтому ученые ищут материалы для электронных микросхем, которые можно было бы легко утилизировать после использования.

Американские ученые под руководством Аарона Франклина (Aaron D. Franklin) из Дьюксого Университета в Северной Каролине сделали большой шаг на пути к легкоперерабатываемой электронике. Они разработали тонкопленочный транзистор (устройство для усиления или переключения электронных сигналов, один из основных строительных блоков современной электроники), который можно напечатать поверх бумажной подложки. Транзистор полностью состоит из перерабатываемых материалов на основе углерода: в качестве полупроводника использовали углеродные нанотрубки (УНТ), в качестве проводящих контактов — графен, а в качестве диэлектрика — кристаллическую наноцеллюлозу.

Все части транзистора наносили последовательно на подложку из обычной фотобумаги методом аэрозольной печати. Сначала напечатали два электрода из графена — исток и сток будущего транзистора, и нанесли поверх слой УНТ. Заготовку промыли толуолом и тщательно высушили и нанесли слой наноцеллюлозы — диэлектрика, который закрыл исток и сток. Наконец, поверх напечатали третий графеновый электрод — затвор. Все слои печатали при комнатной температуре, только толуол для промывания подогрели до 80 градусов Цельсия. И углеродные нанотрубки и графен уже используются в печати электронных микросхем, поэтому с нанесением этих слоев у Франклина и его коллег не было сложности. А вот печать изолирующего слоя наноцеллюлозными «чернилами» авторы осуществили впервые.

Основная проблема была с большой вязкостью целлюлозных чернил, которая мешает напечатанным каплям сливаться друг с другом, из-за чего в полученном слое остаются пустоты. Авторы варьировали параметры аэрозольной печати, и всего напечатали 30 различных образцов наноцеллюлозного слоя. Монолитного изолирующего покрытия удалось добиться при скорости нанесения сорок пять кубических сантиметров чернил в минуту и концентрации наноцеллюлозы шесть массовых процентов.

Характеристики нового транзистора оказались вполне на уровне с традиционными транзисторами на основе неорганических пленок. На основе полученного транзистора изготовили мобильный сенсор на молочную кислоту, который позволяет количественно определять ее концентрации в диапазоне выше двух миллимоль.
Полученное устройство может проработать как минимум шесть месяцев при нормальной температуре и влажности. После завершения бумажная подложка и целлюлозный изолятор легко разлагаются в компосте, а УНТ и графен при желании можно переработать. Достаточно погрузить отработавший транзистор сначала в толуол, чтобы растворить слой УНТ, а затем в дистиллированную воду, чтобы растворить графен. Новое устройство, напечатанное с помощью восстановленных растворов УНТ и графена, работает почти так же хорошо, как и транзистор из свежих материалов. Авторы отметили минимальное снижение тока, связанное с более низкой проводимостью переработанного графена. Снижение проводимости, вероятно, вызвано увеличением вязкости в графеновых чернилах и Франклин и ученые рассчитывают исправить эту проблему, немного изменив формулу чернил.

Франклин и его коллеги использовали целлюлозный композит в качестве изолятора, однако целлюлоза может быть и пьезоэлектриком — например, слабые пьезоэлектрические свойства имеют многие виды древесины. В марте этого года швейцарские ученые нашли оригинальный способ усиления этого эффекта: обработали древесину культурой грибов, которые поглотили часть лигнина в ее составе. В результате взаимное смещение целлюлозных кристаллитов стало больше, и пьезоэлектрический модуль материала увеличился.

Наталия Самойлова