Dans le cadre du projet Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP), des chercheurs de l'Empa, de l'EPFL et de l'Institut Paul Scherrer ont tenté d'imprimer des transistors à couches minces avec des oxydes métalliques sur des matériaux thermosensibles tels que le papier ou le PET. L'objectif n'a finalement pas été atteint, mais les acteurs considèrent le projet comme une réussite, grâce à une nouvelle encre d'imprimerie et un transistor à « effet mémoire ».

La barre était incontestablement placée haut :l'objectif était de réussir à imprimer des transistors en couches minces sur des substrats en papier ou des films en PET. Les circuits électroniques contenant de tels éléments jouent un rôle important dans l'Internet des objets (IoT) en plein essor, par exemple en tant que capteurs sur les documents, les bouteilles, les emballages, un marché mondial qui vaut des milliards.

S'il était possible de fabriquer de tels transistors avec des oxydes métalliques inorganiques, cela ouvrirait une pléthore de nouvelles possibilités. Comparés à des matériaux organiques tels que le polymère semi-conducteur polythiophène, explique le chef de projet Yaroslav Romanyuk du Laboratoire pour les couches minces et le photovoltaïque de l'Empa, les électrons de ces matériaux sont beaucoup plus mobiles. Ils pourraient donc augmenter considérablement les performances de tels éléments et n'auraient pas besoin d'être protégés contre l'air et l'humidité avec une encapsulation coûteuse.

La chaleur comme défi

Il y a un problème avec les encres contenant des oxydes métalliques :pour former un transistor stable, les matériaux doivent être frittés après l'impression, généralement dans un four. En variante, le séchage et le frittage peuvent être effectués avec de la lumière, par exemple avec un rayonnement ultraviolet à faible onde ou une lampe au xénon. La couche imprimée est chauffée avec des éclairs de lumière très courts pour protéger le substrat. L'eau, les solvants et les liants laissent le matériau dans le processus.

Néanmoins, de tels procédés chauffent le substrat jusqu'à 200 degrés, ce qui est beaucoup trop chaud pour le papier ou le PET, qui commence à perdre sa résistance à des températures d'environ 80 degrés, tandis que d'autres plastiques tels que les polyimides peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées.

De 2017 à 2021, dans un projet du "Strategic Focus Area—Advanced Manufacturing" (SFA-AM) initié par le Conseil des EPF, des experts de l'Empa, du Soft Transducers Laboratory de l'EPFL et du Polymer Nanotechnology Group de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont travaillé ensemble à chaque étape du processus (par exemple, les revêtements pour lisser la surface du papier, les formulations d'encre, l'irradiation, etc.) et ont fait beaucoup de progrès.

Mais leur « souhait ultime », comme le dit Romanyuk, d'imprimer des transistors fonctionnels à couches minces sur papier, ne s'est pas réalisé. Les températures de traitement étaient encore trop élevées, le matériau trop rugueux. Et les transistors imprimés sur des films polymères avaient finalement une sortie électrique trop faible.

Attendez-vous à l'inattendu

Désappointé? Non, répond Jakob Heier du laboratoire Functional Polymers de l'Empa. "Le projet n'a en aucun cas été un échec." Non seulement à cause de nouvelles connaissances sur les détails techniques, mais à cause de "résultats secondaires" inattendus.

"Ce fut un projet très excitant avec de nombreuses surprises", dit Heier, rappelant un incident qui devait avoir des conséquences. Il s'agissait du matériau graphène, du carbone conducteur en couches minces atomiques qui convient également bien aux transistors imprimés sur films souples.

Un doctorant de l'équipe ne serait pas convaincu que les encres de graphène ne puissent pas être imprimées à des concentrations plus élevées. Les particules s'agrègent, elles s'agglutinent et un film mince ne peut pas se former de cette façon. Au lieu d'utiliser un seul solvant, le chercheur a essayé une émulsion spéciale de graphène et de trois solvants. Mais ce revêtement a également échoué lors de la première tentative. Lorsque l'encre a été mélangée uniformément lors de la tentative suivante, puis soumise à de légères forces de cisaillement, l'impression a réussi.

Curieux, les experts ont enquêté sur le phénomène et ont constaté que les forces de cisaillement modifient fondamentalement la structure de l'encre. Les flocons fins de graphène dans la reformation liquide, de sorte que les forces de van der Waals puissent prendre effet. Ce sont des forces attractives relativement faibles entre atomes ou molécules. Le résultat était une encre de type gel, sans liants tels que les polymères, qui garantissent autrement que le liquide conserve sa consistance et ne se sépare pas.

Un processus avec un potentiel de marché

Les chercheurs ont mis au point une solution aux avantages pratiques qui fonctionne également à température ambiante :l'encre sèche sans chauffer. Il s'est avéré que de telles encres van der Waals peuvent être produites non seulement avec du graphène, mais également avec d'autres substances bidimensionnelles pour l'impression. Entre-temps, le procédé a été breveté et certaines entreprises, selon les experts, s'intéressent déjà à la production des encres tant convoitées, tout cela après une coïncidence que l'équipe a enquêtée avec une saine curiosité.

Ce n'était pas la seule surprise du projet FOXIP, comme le raconte Yaroslav Romanyuk. Un transistor à effet de champ avec une couche isolante d'oxyde d'aluminium, imprimé sur un plastique polyimide résistant à la chaleur, a révélé un comportement assez particulier. Au lieu d'un signal constant, comme on aurait pu s'y attendre, il a montré des vagues montantes. Le signal de sortie est devenu plus fort car il "se souvenait" des signaux entrants précédents.

"Afficher un tel effet de 'mémoire' n'est en fait pas souhaitable pour un transistor", explique Romanyuk.

Mais un autre étudiant de l'équipe a eu l'idée d'utiliser le phénomène d'une manière différente. Un transistor avec un tel effet mémoire fonctionne de la même manière que les circuits du cerveau humain. Les synapses entre les cellules nerveuses transmettent non seulement des signaux, mais les stockent également. Pour des ordinateurs mimant le cerveau humain, un tel transistor synaptique pourrait donc être très intéressant. Mais que pouvait-il faire ?

Avec le soutien de Mozart

Pour explorer son potentiel, l'équipe a construit une copie électronique du processus auditif humain avec le transistor à couche mince et l'a alimentée avec un air populaire de Mozart :Rondo "Alla Turca" de la Sonate n° 11 en la majeur.

"Ce devait être une pièce animée", dit Romanyuk avec un sourire. Cette expérience et une analyse plus approfondie ont montré que la fonction synaptique du transistor est préservée de quelques hertz à près de 50 000 hertz, soit une bande passante bien supérieure à celle des transistors imprimés comparables.

Bien sûr, les applications concrètes ne sont pas encore en vue pour cette recherche fondamentale, que l'équipe a publiée dans la revue en ligne Scientific Reports —contrairement aux encres d'imprimerie sans liants. Mais sur la voie des nouvelles technologies informatiques, ces découvertes peuvent constituer une étape utile qui a surpris, comme c'est souvent le cas dans l'histoire des sciences.

De telles coïncidences sont la cerise sur le gâteau pour Romanyuk et de nombreux autres chercheurs, en particulier dans les projets à la frontière du réalisable.

"Nous avons délibérément fixé nos objectifs très haut", dit-il. "Les coïncidences jouent un très grand rôle là-dedans. Vous vous lancez un grand défi et puis, soudainement et de manière inattendue, ces coïncidences se produisent." + Explorer plus loin

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