Con la stampa 3d è possibile realizzare direttamente transistor a temperatura ambiente e in atmosfera normale

All’Università della  Pennsylvania alcuni ingegneri  stampano in 3d   transistor realizzati con inchiostri a forma di nanocristalli

Come ogni ingegnere elettronico vi dirà, il transistor è l’elemento base per la costruzione di tutti i componenti elettronici che ci circondano.  I transistor sono utilizzati per costruire quei circuiti che amplificano i segnali elettrici e far passare gli innumerevoli 0 e 1 che formano il calcolo digitale. Dal 1950 sono sempre più miniaturizzati, ma sono ancora piuttosto difficili da produrre, in quanto dipendono da un sistema di produzione complesso che coinvolge alte temperature, e lavorazioni sottovuoto. Tutto questo potrebbe cambiare nel prossimo futuro, visto come una squadra di ingegneri della University of Pennsylvania hanno sperimentato un nuovo metodo per generare  i transistori, con l’uso della stampa 3D con  inchiostri liquidi a nanocristalli.

Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science, intitolato Exploiting the colloidal nanocrystal library to construct electronic devices è stato scritto  da Cherie Kagan, Stephen J. Angello professore presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e Ji-Hyuk Choi, un ricercatore dell’Istituto coreano di Geoscienze e risorse minerarie. Nel team ci sono una serie di studenti e altri ricercatori, tra cui il professor Christopher Murray. La ricerca condotta dal team potrebbe potenzialmente aprire la porta per l’incorporazione di transistor indossabili e flessibili, in quanto dispone di un processo di costruzione a bassa temperatura che è compatibile con una gamma molto più ampia di applicazioni e di materiali.

Come si fa a fare un transistor ad effetto di campo nanocristalli? Ebbene, il team ha iniziato prendendo dei nanocristalli (particelle in nanoscala sferiche) che possedevano le qualità elettriche necessarie per la costruzione di un transistor, e li ha dispersi in diversi tipi di liquidi stampabili. Quattro inchiostri sono stati testati, ognuno dei quali ha una funzione unica: un conduttore (argento), un isolante (ossido di alluminio), un semiconduttore (seleniuro di cadmio) e una combinazione conduttori / drogante (argento e indio), che consentono  al dispositivo di trasmettere un positivo o una carica negativa.

Questi materiali sono stati modellati su supporti plastici flessibili, inizialmente utilizzando la tecnica di spin coating in laboratorio. Per una grande installazione di produzione su larga scala, tuttavia, una stampante 3D a getto d’inchiostro a base  sarebbe funzionata perfettamente. “Questi materiali sono colloidi, proprio come l’inchiostro della stampante a getto d’inchiostro,” il professore Kagan ha spiegato. “Ma è possibile ottenere tutte le caratteristiche che si vogliono e si aspettano dai materiali sfusi analoghi, come ad esempio se sono conduttori, semiconduttori o isolanti.”

Come ha spiegato Kagan, la domanda era se questi materiali potessero semplicemente essere depositati nei modelli per formare un transistor funzionale – soprattutto perché molti degli inchiostri non erano mai stati combinati in dispositivi completi prima. “Questo è il primo lavoro”, ha detto Choi del successo “, mostrando che tutti i componenti, il metallo, gli isolanti, e i semiconduttori a strati del transistor, e anche il drogaggio del semiconduttore potrebbero essere fatto con nanocristalli.”

Il loro successo ovviamente dipendeva da un patterning molto preciso. In primo luogo, l’inchiostro d’argento ai nanocristalli conduttivo è stato stampato su una superficie di plastica flessibile (che era stata prima trattata  con una maschera fotolitografica). La maschera è stata rimossa per lasciare l’inchiostro in forma di elettrodo di gate di un transistore. Questa è stata seguita da uno strato spin-rivestito dell’inchiostro isolante di ossido di alluminio, seguito dal semiconduttore ai nanocristalli basato sul seleniuro di cadmio. Questo è stato superato con uno strato della miscela indio / argento, che funge da elettrodo di source e drain di un transistor. A basse temperature, il drogante indio è diffuso da tali elettrodi.

Come ha spiegato Kagan, la precisione è stata la chiave. “Il trucco con il lavoro con materiali basati su soluzioni è fare in modo che, quando si aggiunge il secondo strato, non lavi via il primo, e così via”, ha detto Kagan. “Abbiamo dovuto trattare le superfici dei nanocristalli, sia quando sono in soluzione prima e dopo la deposizione, per assicurarci di avere le proprietà elettriche giuste e che si attaccassero insieme nella configurazione desiderata”.

La tecnica ha diversi vantaggi rispetto alle tecniche  esistenti ed è certamente un passo nella giusta direzione per  transistor per esempio indossabili. Per esempio, i ricercatori sono stati in grado di produrre diversi transistor su un singolo foglio di plastica flessibile simultaneamente. “Fare transistor su aree più grandi e alle temperature più basse sono gli obiettivi per una classe emergente di tecnologie, quando la gente pensa  all’Internet Of the Things , ad una ampia zona elettronica flessibile e a dispositivi indossabili”, ha detto Kagan. “Non abbiamo sviluppato tutti gli aspetti necessari in modo che potessero essere ancora stampati, ma poiché questi materiali sono basati su delle doluzioni liquide, si dimostra la promessa di questa classe di materiali e si pongono le basi per la produzione di additivi”.

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