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

Immaginate un mondo in cui l'elettronica nelle vostre tasche, sui vostri polsi o persino tessuta nei vostri abiti non sia composta da rigidi blocchi di silicio, ma da fogli flessibili in grado di piegarsi, torcersi e allungarsi senza rompersi. Questa visione si basa su una classe di materiali noti come nanotubi di carbonio, che sono essenzialmente cilindri microscopici fatti di atomi di carbonio. Questi tubicini sono incredibilmente resistenti e conducono l'elettricità con una straordinaria efficienza, rendendoli candidati ideali per la prossima generazione di schermi flessibili, sensori e chip per computer. Tuttavia, la costruzione di questi dispositivi richiede solitamente processi di produzione complessi e costosi che comportano calore elevato e camere a vuoto, difficili da utilizzare su materiali delicati e pieghevoli. Per rendere l'elettronica flessibile davvero pratica ed economica, gli scienziati stanno cercando modi più semplici per assemblare questi circuiti, idealmente utilizzando metodi semplici quanto la stampa di inchiostro sulla carta.

In uno studio recente, i ricercatori hanno compiuto un passo significativo verso questo obiettivo, creando circuiti elettronici funzionanti su un foglio di plastica flessibile attraverso una combinazione di drop-casting e stampa inkjet. Il team, guidato da Subhash Singh e colleghi, ha costruito transistor a film sottile — gli interruttori fondamentali che controllano il flusso di elettricità nell'elettronica moderna — utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola come materiale attivo. Invece di utilizzare i tradizionali metodi di deposizione ad alta tecnologia, hanno semplicemente versato una piccola quantità di liquido contenente i nanotubi sulla superficie di plastica e l'hanno lasciato asciugare. Per le connessioni elettriche, hanno utilizzato una stampante inkjet per depositare elettrodi d'argento, una tecnica che consente di creare modelli precisi senza sprecare materiale. Per isolare i componenti, hanno steso uno strato sottile di un particolare polimero plastico tramite rotazione (spin-coating). Il risultato è stato un circuito elettronico completamente funzionante, costruito interamente attraverso processi basati su soluzioni, il che significa che ogni passaggio ha coinvolto liquidi e asciugatura, piuttosto che pesanti macchinari industriali.

I ricercatori hanno testato questi nuovi dispositivi per vedere quanto ben funzionassero come interruttori e come sensori di luce. Hanno scoperto che i transistor potevano accendersi e spegnersi efficacemente, permettendo alla corrente di scorrere quando veniva applicata una tensione specifica e fermandola quando tale tensione veniva rimossa. I dispositivi spostavano le cariche elettriche a una velocità di 2,43 centimetri quadrati per volt-secondo, una misura di mobilità che indica che il materiale è abbastanza efficiente per molte applicazioni pratiche. Inoltre, il team ha collegato questi transistor tra loro per formare un semplice circuito logico noto come inverter, che inverte un segnale elettrico da alto a basso o viceversa. Questo circuito ha funzionato come previsto, cambiando con successo la propria tensione di uscita in risposta ai cambiamenti della tensione di ingresso, dimostrando che questi componenti stampati potevano lavorare insieme per eseguire compiti computazionali di base.

Oltre alla loro capacità di commutare l'elettricità, i dispositivi hanno mostrato una reazione affascinante alla luce. Quando i ricercatori hanno proiettato una luce bianca intensa sui transistor, il flusso di elettricità è cambiato in un modo che dipendeva interamente da come il dispositivo veniva controllato. Quando il transistor era nello stato di "off" (spento), la luce causava un aumento della corrente, poiché l'energia dei fotoni aiutava a generare più portatori di carica. Tuttavia, quando il transistor era nello stato di "on" (acceso), la luce causava in realtà una diminuzione della corrente. Questa inversione avviene perché la luce innesca un processo in cui le cariche positive e negative si incontrano e si annullano a vicenda, un fenomeno chiamato ricombinazione. I ricercatori hanno osservato che questo effetto non era solo un glitch temporaneo; i dispositivi rispondevano rapidamente quando la luce veniva accesa e si riprendevano completamente quando la luce veniva spenta, dimostrando di poter essere utilizzati come sensori di luce affidabili.

Lo studio ha anche rivelato come il comportamento interno del materiale cambiasse in diverse condizioni. Misurando quanto tempo impiegava la corrente elettrica a stabilizzarsi dopo che la luce veniva spenta, il team ha scoperto che la velocità di questo recupero dipendeva dalla tensione applicata alla porta (gate) del transistor. Quando la tensione di gate era positiva, il recupero era relativamente lento, richiedendo oltre due minuti affinché la corrente tornasse al suo livello normale. Al contrario, quando la tensione di gate era negativa, il recupero avveniva molto più velocemente, impiegando solo circa venti secondi. Questa differenza suggerisce che la posizione dei livelli di energia all'interno del materiale si sposta a seconda della tensione, il che a sua volta controlla la velocità con cui le cariche si ricombinano. Queste scoperte confermano che il comportamento di questi dispositivi flessibili è governato dall'interazione tra la luce e il movimento delle cariche all'interno del film di nanotubi.

Il lavoro dimostra che è possibile creare circuiti elettronici flessibili di alta qualità utilizzando metodi semplici e a basso costo che non richiedono attrezzature costose. I dispositivi hanno performato bene sotto cicli ripetuti di luce e oscurità, mostrando di essere abbastanza robusti per l'uso nel mondo reale. Sebbene il guadagno di corrente attuale dell'inverter sia modesto, la riuscita integrazione degli elettrodi stampati con inkjet e dei nanotubi depositati per via liquida (drop-cast) dimostra che un approccio completamente basato su soluzioni può produrre porte logiche e sensori funzionali. Ciò apre la strada alla produzione di elettronica flessibile su grandi aree, che potrebbe essere prodotta a basso costo e applicata a una vasta gamma di tecnologie, dai monitor sanitari indossabili al confezionamento intelligente, il tutto costruito su materiali che sono flessibili quanto la plastica su cui vengono stampati.