近日，美國杜克大學(xué)Aaron D.Franklin 教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)由三種全碳基墨水制成的完全可回收、功能齊全的晶體管。 這種晶體管可以很容易地打印在紙上或其他柔性、環(huán)保材料的表面上，開辟了晶體管可回收利用的新道路。
隨著科技的發(fā)展，我們使用的電子產(chǎn)品越來越多。 伴隨而來的電子垃圾也在與日俱增。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2021年，電子垃圾將達(dá)到5220萬噸，成為世界上增長最快的廢物源之一。 未來，世界還向5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)不斷擴(kuò)展，電子污染問題只會(huì)變得更加嚴(yán)重。
近些年，使用后會(huì)自然降解的瞬態(tài)電子學(xué)主要集中在提高材料的生物相容性上，而開發(fā)用于回收再利用材料的研究工作則集中在導(dǎo)電材料上，所以忽略了其他電子材料。
因此，這種方法所制備的電子器件在降解后，仍會(huì)產(chǎn)生硅基材料和碳基納米材料廢物。 由此，科學(xué)家的長期目標(biāo)是開發(fā)出完全可回收的電子產(chǎn)品，對環(huán)境和生物有害的成分可以實(shí)現(xiàn)重新回收再利用。
近日，美國杜克大學(xué)Aaron D.Franklin教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了最新的研究成果——一個(gè)由三種全碳基墨水制成的完全可回收、功能齊全的晶體管。 通過一種介質(zhì)墨水，這種晶體管可以很容易地打印在紙上或其他柔性、環(huán)保材料的表面上。 這是一種被稱為納米纖維素的木質(zhì)絕緣介質(zhì)墨水，開辟了晶體管可回收利用的道路。 半導(dǎo)體和導(dǎo)體分別采用碳納米管和石墨烯油墨。
納米纖維素(CNF)是地球上最豐富的可再生納米材料。 通過不同的過程(如酸水解、機(jī)械處理、氧化和離子液體處理等)，研究者可以從植物、海洋動(dòng)物和細(xì)菌中提取出形態(tài)各異的CNF。 與其他高強(qiáng)度材料相比，納米纖維素原纖具有令人難以置信的強(qiáng)度，這些原纖維高度結(jié)晶，抗張強(qiáng)度(σ)為2-7.7 GPa，在力學(xué)強(qiáng)度上與凱夫拉纖維相當(dāng)，強(qiáng)度是鋼材的7倍，但比鋼輕5倍。
實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)明了一種懸浮納米纖維素晶體的方法，通過灑一點(diǎn)食鹽產(chǎn)生墨水，然后在室溫下使用氣溶膠噴墨印刷技術(shù)將其寫入紙張基材上。 在電介質(zhì)中添加了可移動(dòng)的鈉離子，極大提高了薄膜晶體管的on態(tài)電流(87μA mm-1)和亞閾值擺動(dòng)(132 mV dec-1)，與沒有添加離子時(shí)的電壓掃描速率相比，速率提升了約20倍。
Franklin教授表示，雖然這些材料在印刷電子領(lǐng)域并不新鮮，納米纖維素是生物可降解的，多年來已被應(yīng)用于外包裝等應(yīng)用多個(gè)領(lǐng)域，但之前還沒有人知道電子產(chǎn)品作為絕緣體可以用于墨水打印中。 這是本項(xiàng)研究完全可回收的關(guān)鍵之處。
近年來，印刷電子技術(shù)由于其工藝簡單、成本低廉與兼容制造材料范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在大面積柔性電子器件制造領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。 電子印刷技術(shù)是通過噴印或氣溶膠噴射等方法將含有功能材料的油墨轉(zhuǎn)移到襯底上。 目前，有機(jī)材料、金屬氧化物、金屬納米材料和碳基材料均可用于制備功能性墨水。 其中，半導(dǎo)體碳納米管(CNT)印刷薄膜具有很高的電氣性能、顯著的機(jī)械穩(wěn)定性和低溫處理的兼容性。 然而，CNT薄膜晶體管(CNT-TFTs)因受限于介電層和接觸層的較高工藝溫度要求，一直難以實(shí)現(xiàn)全晶體管低溫印刷。
然而，氣溶膠噴印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在低溫(最高暴露溫度≤80°C)條件下一維-二維薄膜晶體管(1D-2D TFTs)的全印過程。 在此項(xiàng)工作中，全印刷1D-2D TFTs的開關(guān)電流比達(dá)3.5×105，溝道遷移率達(dá)10.7 cm2·V–1·s–1，在彎曲狀態(tài)下具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。 在1000次循環(huán)彎曲測試后(2.1%應(yīng)變)后性能幾乎沒有變化。
半導(dǎo)體碳納米管的一維溝道、二維六方氮化硼(h-BN)的柵極和微量銀納米線的導(dǎo)電電極，均使用同一臺(tái)打印機(jī)沉積。 通過適當(dāng)?shù)挠湍浞剑缋谜澈蟿┝u丙基甲基纖維素，可有效抑制相鄰印刷層之間的再分散，從而實(shí)現(xiàn)了氣溶膠噴射閥印制二維h-BN薄膜。
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過向水性油墨中添加0.15 mM氯化鈉(NaCl)，可以改善晶體納米纖維素的介電性能，從而提高晶體管掃描速率(600 mV/s)，較低的亞閾值擺幅(SS，132 mV/dec)。 為了說明這種全碳電子產(chǎn)品的功能，薄膜晶體管被用于創(chuàng)建全印刷紙質(zhì)生物傳感器，可用于乳酸鹽感測，該傳感器顯示出與敗血性休克診斷有關(guān)的濃度靈敏度范圍。 在正常工作環(huán)境下，晶體管器件能夠穩(wěn)定工作6個(gè)月，并且能夠可控分解，其中的石墨烯和碳納米管油墨可以回收再利用(回收效率>95%)。 基于回收材料，還能夠重新制備新的晶體管器件。
研究團(tuán)隊(duì)通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了晶體管的可回收。 通過將設(shè)備浸入浴槽中，用聲波輕輕振動(dòng)它們，并離心取得溶液，碳納米管和石墨烯被依次回收，平均收回率接近100%。 這兩種材料可以在相同的印刷過程中重復(fù)使用，并且性能損失較小。 由于納米纖維素是由木材制成，它可以與打印的紙張一起回收利用。
與電阻器或電容器相比，晶體管是一種相對復(fù)雜的計(jì)算機(jī)元件，用于功率控制或邏輯電路和各種傳感器等設(shè)備中。Franklin教授表示，第一步是希望這一技術(shù)能夠制成簡單的商用設(shè)備。 其中包括兩種可能：一種是環(huán)境傳感器，用于監(jiān)測大型建筑物的能源消耗情況; 一種是為跟蹤醫(yī)療狀況，定制生物傳感補(bǔ)丁。
Franklin教授說：“像這樣的可回收電子產(chǎn)品不可能取代整個(gè)5萬億美元的產(chǎn)業(yè)，基于硅的計(jì)算機(jī)組件可能永遠(yuǎn)不會(huì)消失，而且我們肯定離印刷可回收計(jì)算機(jī)處理器還差得遠(yuǎn)。 但是，這些新型材料和技術(shù)有望成為新型電子產(chǎn)品的正確發(fā)展方向。 ”
目前，這項(xiàng)工作已經(jīng)得到了美國國防部國會(huì)醫(yī)學(xué)研究項(xiàng)目的支持，并且與美國國立衛(wèi)生研究院和美國空軍科研辦公室等科研機(jī)構(gòu)展開了合作。
相關(guān)閱讀
