Il s'agit d'un circuit flexible fabriqué dans le laboratoire Kagan. Crédit :David Kim et Yuming Lai
(Phys.org)—Les circuits électroniques sont généralement intégrés dans des plaquettes de silicium rigides, mais la flexibilité ouvre un large éventail d'applications. Dans un monde où l'électronique devient de plus en plus omniprésente, la flexibilité est un trait hautement souhaitable, mais trouver des matériaux avec la bonne combinaison de performances et de coûts de fabrication reste un défi.
Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie a montré que les particules nanométriques, ou des nanocristaux, du séléniure de cadmium semi-conducteur peut être « imprimé » ou « revêtu » sur des plastiques flexibles pour former une électronique haute performance.
La recherche a été dirigée par David Kim, un étudiant au doctorat au Département de science et d'ingénierie des matériaux de la Penn's School of Engineering and Applied Science; Yuming Lai, doctorant dans le département Génie Électrique et Systèmes de l'École d'Ingénieurs; et professeur Cherie Kagan, qui a des nominations dans les deux départements ainsi que dans le département de chimie de l'École des arts et des sciences. Benjamin Diroll, un doctorant en chimie, et Penn Integrates Knowledge Le professeur Christopher Murray de science des matériaux et de chimie a également collaboré à la recherche.
Leurs travaux ont été publiés dans la revue Communication Nature .
« Nous avons une référence de performance dans le silicium amorphe, qui est le matériel qui exécute l'affichage dans votre ordinateur portable, entre autres appareils, " dit Kagan. " Tiens, nous montrons que ces nanocristaux de séléniure de cadmium peuvent déplacer les électrons 22 fois plus vite que dans le silicium amorphe."
Outre la vitesse, un autre avantage des nanocristaux de séléniure de cadmium par rapport au silicium amorphe est la température à laquelle ils sont déposés. Alors que le silicium amorphe utilise un procédé qui opère à plusieurs centaines de degrés, les nanocristaux de séléniure de cadmium peuvent être déposés à température ambiante et recuits à des températures douces, ouvrant la possibilité d'utiliser des fondations en plastique plus souples.
Il s'agit d'un circuit flexible fabriqué dans le laboratoire Kagan. Crédit :David Kim et Yuming Lai, Université de Pennsylvanie
Une autre innovation qui a permis aux chercheurs d'utiliser du plastique souple était leur choix de ligands, les chaînes chimiques qui s'étendent à partir de la surface des nanocristaux et aident à faciliter la conductivité lorsqu'elles sont emballées ensemble dans un film.
"Il y a eu beaucoup d'études de transport d'électrons sur le séléniure de cadmium, mais jusqu'à récemment, nous n'avons pas été en mesure d'en tirer de bonnes performances, " a déclaré Kim. " Le nouvel aspect de notre recherche était que nous avons utilisé des ligands que nous pouvons traduire très facilement sur le plastique flexible; d'autres ligands sont si caustiques que le plastique fond réellement."
Parce que les nanocristaux sont dispersés dans un liquide semblable à de l'encre, plusieurs types de techniques de dépôt peuvent être utilisés pour réaliser des circuits. Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé le spincoating, où la force centrifuge tire une fine couche de la solution sur une surface, mais les nanocristaux pourraient être appliqués par trempage, également par pulvérisation ou par jet d'encre.
Sur une feuille de plastique souple, une couche inférieure d'électrodes a été modelée à l'aide d'un masque d'ombre - essentiellement un pochoir - pour délimiter un niveau du circuit. Les chercheurs ont ensuite utilisé le pochoir pour définir de petites régions d'or conducteur pour établir les connexions électriques aux niveaux supérieurs qui formeraient le circuit. Une couche isolante d'oxyde d'aluminium a été introduite et une couche de 30 nanomètres de nanocristaux a été revêtue de la solution. Finalement, des électrodes au niveau supérieur ont été déposées à travers des masques d'ombre pour finalement former les circuits.
« Les circuits les plus complexes sont comme des bâtiments à plusieurs étages, " dit Kagan. " L'or agit comme des escaliers que les électrons peuvent utiliser pour voyager entre ces étages. "
En utilisant ce processus, les chercheurs ont construit trois types de circuits pour tester les performances des nanocristaux pour les applications de circuits :un onduleur, un amplificateur et un oscillateur en anneau.
"Un onduleur est le bloc de construction fondamental pour des circuits plus complexes, " Lai a dit. "Nous pouvons également montrer des amplificateurs, qui amplifient l'amplitude du signal dans les circuits analogiques, et oscillateurs en anneau, où les signaux 'on' et 'off' se propagent correctement sur plusieurs étages dans les circuits numériques."
"Et tous ces circuits fonctionnent avec quelques volts, " a déclaré Kagan. " Si vous voulez de l'électronique pour les appareils portables qui vont fonctionner avec des piles, ils doivent fonctionner à basse tension ou ils ne seront pas utiles."
Avec la combinaison de la flexibilité, procédés de fabrication relativement simples et faibles besoins en énergie, ces circuits de nanocristaux de séléniure de cadmium pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types d'appareils et de capteurs omniprésents, qui pourraient avoir des applications biomédicales ou de sécurité.
"Cette recherche ouvre également la possibilité d'utiliser d'autres types de nanocristaux, comme nous l'avons montré l'aspect matériaux n'est plus une limitation, ", a déclaré Kim.
