Исследование появилось онлайн 28 февраля в журнале Нанобуквы.

Одной из основных задач, стоящих перед любым производителем электроники, является успешное наложение нескольких слоев компонентов друг на друга, что крайне важно при создании сложных устройств. Склеивание этих слоев может оказаться непростым процессом, особенно для печатной электроники.

"Если вы готовите бутерброд с арахисовым маслом и желе, достаточно нанести один слой на любой ломтик хлеба", - объяснил Аарон Франклин, профессор электротехники и вычислительной техники Addy в университете Дьюка, который руководил исследованием. "Но если вы сначала положите желе, а затем попытаетесь намазать его сверху арахисовым маслом, забудьте об этом, желе не останется на месте и смешается с арахисовым маслом. Накладывать слои друг на друга не так просто, как накладывать их отдельно, но это то, что вам нужно сделать, если вы хотите создавать электронные устройства с печатью ".

В предыдущей работе Франклин и его группа продемонстрировали первую печатную электронику, полностью пригодную для вторичной переработки. В устройствах использовались три краски на основе углерода: полупроводящие углеродные нанотрубки, проводящий графен и изолирующая наноцеллюлоза. При попытке адаптировать оригинальный процесс к использованию только воды углеродные нанотрубки представляли собой самую большую проблему.

Чтобы получить чернила на водной основе, в которых углеродные нанотрубки не слипаются и равномерно распределяются по поверхности, добавляют поверхностно-активное вещество, похожее на моющее средство. Однако полученные чернила не создают слой углеродных нанотрубок, достаточно плотный для прохождения через него большого тока электронов.

"Вы хотите, чтобы углеродные нанотрубки выглядели как спагетти аль денте, разложенные на плоской поверхности", - сказал Франклин. "Но с чернилами на водной основе они больше похожи на то, что их брали по одному и бросали на стену, чтобы проверить готовность. Если бы мы использовали химикаты, мы могли бы просто печатать несколько проходов снова и снова, пока не наберется достаточное количество нанотрубок. Но вода так не работает. Мы могли бы повторить это 100 раз, и плотность все равно была бы такой же, как в первый раз".

Это связано с тем, что поверхностно-активное вещество, используемое для предотвращения слипания углеродных нанотрубок, также предотвращает прилипание дополнительных слоев к первому. В традиционном производственном процессе эти поверхностно-активные вещества удалялись бы либо при очень высоких температурах, что требует много энергии, либо при использовании агрессивных химических веществ, которые могут представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды. Франклин и его группа хотели избежать и того, и другого.

В статье Франклин и его группа разрабатывают циклический процесс, при котором устройство промывается водой, сушится при относительно низкой температуре и снова наносится на печать. Когда количество поверхностно-активного вещества, используемого в чернилах, также регулируется, исследователи показывают, что их чернила и технологические процессы позволяют создавать полностью функциональные, пригодные для вторичной переработки транзисторы на водной основе.

По сравнению с резистором или конденсатором транзистор является относительно сложным компьютерным компонентом, используемым в таких устройствах, как регулятор мощности или логические схемы и датчики. Франклин объясняет, что, сначала продемонстрировав транзистор, он надеется просигнализировать остальным специалистам в этой области, что существует реальный путь к тому, чтобы сделать некоторые процессы производства электроники гораздо более экологичными.

Франклин уже доказал, что почти 100% углеродных нанотрубок и графена, используемых в печати, могут быть извлечены и повторно использованы в том же процессе, при этом теряется очень мало веществ или их эксплуатационная жизнеспособность. Поскольку наноцеллюлоза производится из древесины, ее можно просто переработать или подвергнуть биологическому разложению, как бумагу. И хотя в процессе действительно используется много воды, ее и близко не так много, как требуется для обработки токсичными химикатами, используемыми при традиционных методах изготовления.

По оценкам Организации Объединенных Наций, менее четверти миллионов фунтов электроники, выбрасываемой ежегодно, перерабатывается. И проблема будет только усугубляться по мере того, как мир в конечном итоге перейдет на устройства 6G, а Интернет вещей (IoT) продолжит расширяться. Так что важно разобраться с любой вмятиной, которую можно было бы сделать в этой растущей горе электронного мусора.

Хотя предстоит проделать еще много работы, Франклин говорит, что этот подход можно было бы использовать при производстве других электронных компонентов, таких как экраны и дисплеи, которые сейчас повсеместно распространены в обществе. Каждый электронный дисплей имеет объединительную плату из тонкопленочных транзисторов, подобных тем, что продемонстрированы в статье. Современная технология изготовления отличается высокой энергоемкостью и основана на использовании опасных химических веществ, а также токсичных газов. Агентство по охране окружающей среды США обратило внимание на всю отрасль в целом. [https://www.epa.gov/climateleadership/sector-spotlight-electronics]

"Производительность наших тонкопленочных транзисторов не соответствует лучшим из производимых в настоящее время, но они достаточно конкурентоспособны, чтобы показать исследовательскому сообществу, что мы все должны прилагать больше усилий, чтобы сделать эти процессы более экологичными", - сказал Франклин.

Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (1R01HL146849), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-22-1-0466 ) и Национальный научный фонд (ECCS-1542015, аспирантская исследовательская стипендия 2139754).