SWCNTs thin film transistor circuits fabricated on flexible substrates with inkjet-printed silver electrodes for photodetectors

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपकी जेब में, आपकी कलाई पर, या यहाँ तक कि आपके कपड़ों में बुने हुए इलेक्ट्रॉनिक्स सिलिकॉन के कठोर ब्लॉक नहीं, बल्कि लचीली शीट हैं जो बिना टूटे मुड़, ट्विस्ट और खिंच सकती हैं। यह दृष्टिकोण कार्बन नैनोट्यूब नामक सामग्रियों के एक वर्ग पर निर्भर करता है, जो अनिवार्य रूप से कार्बन परमाणुओं से बने सूक्ष्म बेलनाकार (cylinders) हैं। ये नन्ही नलिकाएं अविश्वसनीय रूप से मजबूत होती हैं और बिजली का संचालन उल्लेखनीय दक्षता के साथ करती हैं, जो उन्हें अगली पीढ़ी की लचीली स्क्रीन, सेंसर और कंप्यूटर चिप्स के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाती हैं। हालाँकि, इन उपकरणों का निर्माण करने के लिए आमतौर पर जटिल, महंगे विनिर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है जिनमें उच्च ताप और वैक्यूम चैंबर शामिल होते हैं, जो नाजुक, मुड़ने योग्य सामग्रियों पर उपयोग करने में कठिन होते हैं। लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स को वास्तव में व्यावहारिक और किफायती बनाने के लिए, वैज्ञानिक इन सर्किटों को जोड़ने के सरल तरीके खोज रहे हैं, जो आदर्श रूप से कागज पर स्याही प्रिंट करने जितने सीधे हों।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ड्रॉप-कास्टिंग और इंकजက် प्रिंटिंग के संयोजन का उपयोग करके एक लचीली प्लास्टिक शीट पर कार्यात्मक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। सुभाष सिंह और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने सिंगल-वॉल कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके थिन-फिल्म ट्रांजिस्टर—जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने वाले मौलिक स्विच हैं—का निर्माण किया। पारंपरिक उच्च-तकनीकी निक्षेपण (deposition) विधियों के बजाय, उन्होंने बस कार्बन नैनोट्यूब युक्त एक तरल की थोड़ी मात्रा को प्लास्टिक की सतह पर डाला और उसे सूखने दिया। विद्युत कनेक्शनों के लिए, उन्होंने सिल्वर इलेक्ट्रोड जमा करने के लिए एक इंकजက် प्रिंटर का उपयोग किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो सामग्री को बर्बाद किए बिना सटीक पैटर्न बनाने की अनुमति देती है। घटकों को इन्सुलेट करने के लिए, उन्होंने नैनोट्यूब के ऊपर एक विशेष प्लास्टिक पॉलीमर की पतली परत को घुमाया (spun)। इसका परिणाम पूरी तरह से समाधान-आधारित (solution-based) प्रक्रियाओं के माध्यम से निर्मित एक पूर्णतः कार्यात्मक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट था, जिसका अर्थ है कि प्रत्येक चरण में तरल और सुखाने की प्रक्रिया शामिल थी, न कि कठोर औद्योगिक मशीनरी।

शोधकर्ताओं ने इन नए उपकरणों का परीक्षण यह देखने के लिए किया कि वे स्विच और प्रकाश सेंसर के रूप में कैसा प्रदर्शन करते हैं। उन्होंने पाया कि ट्रांजिस्टर प्रभावी ढंग से चालू और बंद हो सकते थे, जिससे एक विशिष्ट वोल्टेज लागू होने पर बिजली का प्रवाह होता है और वह वोल्टेज हटा दिए जाने पर रुक जाता है। ये उपकरण 2.43 वर्ग सेंटीमीटर प्रति वोल्ट-सेकंड की गति से विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करते हैं, जो एक ऐसी गतिशीलता (mobility) का माप है जो इंगित करती है कि सामग्री कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त कुशल है। इसके अलावा, टीम ने इन ट्रांजिस्टरों को एक सरल लॉजिक सर्किट से जोड़ा जिसे इनवर्टर कहा जाता है, जो एक विद्युत संकेत को हाई से लो या इसके विपरीत बदल देता है। यह सर्किट अपने उद्देश्य के अनुसार काम कर रहा था, जिसने इनपुट में बदलाव के जवाब में अपने आउटपुट वोल्टेज को सफलतापूर्वक बदला, जिससे यह सिद्ध हुआ कि ये मुद्रित घटक बुनियादी कंप्यूटिंग कार्यों को करने के लिए एक साथ काम कर सकते हैं।

बिजली को स्विच करने की उनकी क्षमता के अलावा, इन उपकरणों ने प्रकाश के प्रति एक दिलचस्प प्रतिक्रिया दिखाई। जब शोधकर्ताओं ने ट्रांजिस्टरों पर एक चमकीली सफेद रोशनी डाली, तो बिजली का प्रवाह इस तरह से बदला जो पूरी तरह से इस बात पर निर्भर था कि डिवाइस को कैसे नियंत्रित किया जा रहा है। जब ट्रांजिस्टर "ऑफ" अवस्था में था, तो प्रकाश के कारण करंट बढ़ गया, क्योंकि फोटोन की ऊर्जा ने अधिक चार्ज वाहक (charge carriers) उत्पन्न करने में मदद की। हालाँकि, जब ट्रांजिस्टर "ऑन" अवस्था में था, तो प्रकाश ने वास्तव में करंट को कम कर दिया। यह उलटफेर इसलिए होता है क्योंकि प्रकाश एक ऐसी प्रक्रिया को सक्रिय करता है जहाँ सकारात्मक और नकारात्मक आवेश मिलते हैं और एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसे पुनर्संयोजन (recombination) नामक घटना कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह प्रभाव केवल एक अस्थायी गड़बड़ी नहीं थी; उपकरण प्रकाश चालू होने पर तेजी से प्रतिक्रिया करते थे और प्रकाश बंद होने पर पूरी तरह से सामान्य स्थिति में आ जाते थे, जिससे पता चलता है कि वे विश्वसनीय प्रकाश सेंसर के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि विभिन्न स्थितियों के तहत सामग्री का आंतरिक व्यवहार कैसे बदलता है। प्रकाश स्विच ऑफ होने के बाद विद्युत धारा के स्थिर होने में लगने वाले समय को मापकर, टीम ने पाया कि इस रिकवरी की गति ट्रांजिस्टर के गेट पर लगाए गए वोल्टेज पर निर्भर करती है। जब गेट वोल्टेज पॉजिटिव था, तो रिकवरी अपेक्षाकृत धीमी थी, जिसमें करंट को अपने सामान्य स्तर पर लौटने में दो मिनट से अधिक का समय लगा। इसके विपरीत, जब गेट वोल्टेज नेगेटिव था, तो रिकवरी बहुत तेजी से हुई, जिसमें केवल लगभग बीस सेकंड लगे। यह अंतर बताता है कि वोल्टेज के आधार पर सामग्री के भीतर ऊर्जा स्तरों की स्थिति बदल जाती है, जो बदले में यह नियंत्रित करती है कि आवेश कितनी तेज़ी से पुनर्संयोजित होते हैं। ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि इन लचीले उपकरणों का व्यवहार नैनोट्यूब फिल्म के भीतर प्रकाश और आवेशों की गति के बीच की अंतःक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि महंगी मशीनों की आवश्यकता के बिना सरल, कम लागत वाली विधियों का उपयोग करके उच्च-गुणवत्ता वाले, लचीले इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाना संभव है। उपकरण प्रकाश और अंधेरे के बार-बार चक्रों के तहत अच्छा प्रदर्शन करते हैं, जो दर्शाता है कि वे वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। हालांकि इनवर्टर सर्किट का वर्तमान गेन (gain) मामूली है, लेकिन इंकजက်-प्रिंटेड इलेक्ट्रोड्स के साथ ड्रॉप-कास्ट नैनोट्यूब का सफल एकीकरण यह सिद्ध करता है कि एक पूर्णतः समाधान-आधारित दृष्टिकोण कार्यात्मक लॉजिक गेट और सेंसर प्रदान कर सकता है। यह बड़े क्षेत्र के लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण का मार्ग खोलता है जिसे सस्ते में उत्पादित किया जा सकता है और पहनने योग्य स्वास्थ्य मॉनिटर से लेकर स्मार्ट पैकेजिंग तक विभिन्न तकनीकों में लागू किया जा सकता है, जो उस प्लास्टिक की तरह ही लचीले होते हैं जिस पर उन्हें प्रिंट किया गया है।