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

Stel je een wereld voor waarin de elektronica in je zak, om je pols of zelfs geweven in je kleding geen starre blokken silicium zijn, maar flexibele vellen die kunnen buigen, draaien en rekken zonder te breken. Deze visie rust op een klasse materialen die bekend staan als koolstofnanobuisjes, die in essentie microscopische cilinders zijn gemaakt van koolstofatomen. Deze piepkleine buisjes zijn ongelooflijk sterk en geleiden elektriciteit met een opmerkelijke efficiëntie, wat hen ideale kandidaten maakt voor de volgende generatie flexibele schermen, sensoren en computerchips. Het bouwen van deze apparaten vereist echter meestal complexe, dure productieprocessen die gebruikmaken van hoge temperaturen en vacuümkamers, wat moeilijk te gebruiken is op delicate, buigbare materialen. Om flexibele elektronica werkelijk praktisch en betaalbaar te maken, zoeken wetenschappers naar eenvoudigere manieren om deze circuits te assembleren, bij voorkeur met methoden die zo rechttoe-recht waarbij inkt op papier printen.

In een recente studie hebben onderzoekers een belangrijke stap richting dit doel gezet door werkende elektronische circuits op een flexibel kunststofvel te creëren met een combinatie van drop-casting en inkjetprinten. Het team, onder leiding van Subhash Singh en collega's, construeerde dunne-filmtransistoren — de fundamentele schakelaars die de stroom van elektriciteit in moderne elektronica regelen — met behulp van enkelwandige koolstofnanobuisjes als het actieve materiaal. In plaats van traditionele hoogtechnologische depositiemethoden te gebruiken, druppelden ze simpelweg een kleine hoeveelheid vloeistof die de nanobuisjes bevat op het kunststofoppervlak en lieten ze dit drogen. Voor de elektrische verbindingen gebruikten ze een inkjetprinter om zilveren elektroden aan te brengen, een techniek die nauwkeurige patronen mogelijk maakt zonder materiaal te verspillen. Om de componenten te isoleren, sponnen ze een dunne laag van een speciale kunststof polymeer over de nanobuisjes. Het resultaat was een volledig functioneel elektronisch circuit dat volledig via oplossingsgebaseerde processen is gebouwd, wat betekent dat elke stap betrokken was bij vloeistoffen en het drogen, in plaats van bij zware industriële machines.

De onderzoekers testten deze nieuwe apparaten om te zien hoe goed ze presteerden als schakelaars en als lichtsensoren. Ze ontdekten dat de transistoren effectief aan en uit konden schakelen, waardoor elektriciteit kon stromen wanneer een specifieke spanning werd toegepast en stopte wanneer die spanning werd verwijderd. De apparaten verplaatsten elektrische ladingen met een snelheid van 2,43 vierkante centimeter per volt-seconde, een maat voor mobiliteit die aangeeft dat het materiaal efficiënt genoeg is voor veel praktische toepassingen. Bovendien verbonden het team deze transistoren om een eenvoudig logisch circuit te vormen, een zogenaamde inverter, die een elektrisch signaal van hoog naar laag of andersom omkeert. Dit circuit werkte zoals bedoeld en veranderde succesvol zijn uitgangsspanning als reactie op veranderingen in de ingangsspanning, wat bewees dat deze geprinte componenten samen konden werken om basiscomputertaken uit te voeren.

Naast hun vermogen om elektriciteit te schakelen, vertoonden de apparaten een fascinerende reactie op licht. Wanneer de onderzoekers een fel wit licht op de transistoren schijnen, veranderde de stroom van elektriciteit op een manier die volledig afhing van hoe het apparaat werd aangestuurd. Wanneer de transistor in een "uit"-stand stond, zorgde het licht ervoor dat de stroom toenam, omdat de energie van de fotonen hielp om meer ladingsdragers te generen. Echter, wanneer de transistor in een "aan"-stand stond, zorgde het licht er juist voor dat de stroom afnam. Deze omkering vindt plaats omdat het licht een proces triggert waarbij positieve en negatieve ladingen elkaar ontmoeten en opheffen, een fenomeen dat recombinatie wordt genoemd. De onderzoekers observeerden dat dit effect niet slechts een tijdelijke storing was; de apparaten reageerden snel wanneer het licht aanging en herstelden volledig wanneer het licht uitging, wat aantoont dat ze als betrouwbare lichtsensoren kunnen worden gebruikt.

De studie onthulde ook hoe het interne gedrag van het materiaal veranderde onder verschillende omstandigheden. Door te meten hoe lang het duurde voordat de elektrische stroom tot rust kwam nadat het licht werd uitgeschakeld, ontdekte het team dat de snelheid van dit herstel afhankelijk was van de spanning die aan de gate van de transistor werd toegepast. Wanneer de gate-spanning positief was, was het herstel relatief traag en duurde het meer dan twee minuten voordat de stroom terugkeerde naar het normale niveau. In contrast hiermee, wanneer de gate-spanning negatief was, gebeurde het herstel veel sneller, in ongeveer twintig seconden. Dit verschil suggereert dat de positie van de energieniveaus binnen het materiaal verschuift afhankelijk van de spanning, wat op zijn beurt controleert hoe snel de ladingen recombineren. Deze bevindingen bevestigen dat het gedrag van deze flexibele apparaten wordt beheerst door de interactie tussen licht en de beweging van ladingen binnen de nanobuisjesfilm.

Het werk demonstreert dat het mogelijk is om hoogwaardige, flexibele elektronische circuits te creëren met eenvoudige, goedkope methoden die geen dure apparatuur vereisen. De apparaten presteerden goed onder herhaalde cycli van licht en donker, wat aantoont dat ze robuust genoeg zijn voor echt gebruik. Hoewel de huidige winst van de inverter-schakeling bescheiden is, bewijst de succesvolle integratie van inkjetgeprinte elektroden met drop-cast nanobuisjes dat een volledig oplossingsgebaseerde aanpak functionele logische poorten en sensoren kan opleveren. Dit opent de deur naar de productie van grootschalige, flexibele elektronica die goedkoop geproduceerd kunnen worden en toegepast kunnen worden in een breed scala aan technologieën, van draagbare gezondheidsmonitors tot slimme verpakkingen, allemaal gebouwd op materialen die even flexibel zijn als het kunststof waarop ze geprint zijn.