Le transistor est le bloc de construction le plus fondamental de l'électronique, utilisé pour construire des circuits capables d'amplifier des signaux électriques ou de les commuter entre les 0 et les 1 au cœur du calcul numérique. La fabrication des transistors est un processus très complexe, cependant, nécessitant une température élevée, équipement à vide poussé.

Maintenant, Des ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont montré une nouvelle approche pour fabriquer ces dispositifs :le dépôt séquentiel de leurs composants sous la forme d'« encres » à nanocristaux liquides.

Leur nouvelle étude, Publié dans Science , ouvre la porte aux composants électriques à intégrer dans des applications flexibles ou portables, car le processus à basse température est compatible avec une large gamme de matériaux et peut être appliqué à de plus grandes surfaces.

Les transistors à effet de champ à base de nanocristaux des chercheurs ont été modelés sur des supports en plastique flexibles à l'aide d'un revêtement par centrifugation, mais pourraient éventuellement être construits par des systèmes de fabrication additive, comme les imprimantes 3D.

L'étude a été dirigée par Cherie Kagan, le professeur Stephen J. Angello à l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, et Ji-Hyuk Choi, puis membre de son labo, maintenant chercheur principal à l'Institut coréen des géosciences et des ressources minérales. Han Wang, Bientôt Ju Oh, Taejong Paik et Pil Sung Jo du laboratoire Kagan ont contribué au travail. Ils ont collaboré avec Christopher Murray, un professeur Penn Integrates Knowledge avec des nominations à la School of Arts &Sciences et Penn Engineering; les membres du laboratoire Murray Xingchen Ye et Benjamin Diroll; et Jinwoo Sung de l'Université Yonsei de Corée.

Les chercheurs ont commencé par prendre des nanocristaux, ou particules nanométriques grossièrement sphériques, avec les qualités électriques nécessaires à un transistor et dispersant ces particules dans un liquide, fabriquer des encres à nanocristaux.

Le groupe de Kagan a développé une bibliothèque de quatre de ces encres :un conducteur (argent), un isolant (oxyde d'aluminium), un semi-conducteur (séléniure de cadmium) et un conducteur associé à un dopant (mélange d'argent et d'indium). "Doper" la couche semi-conductrice du transistor avec des impuretés contrôle si le dispositif transmet une charge positive ou négative.

"Ces matériaux sont des colloïdes tout comme l'encre de votre imprimante à jet d'encre, " Kagan a dit, "mais vous pouvez obtenir toutes les caractéristiques que vous voulez et attendez des matériaux en vrac analogues, comme s'ils sont chefs d'orchestre, semi-conducteurs ou isolants.

"Notre question était de savoir si vous pouviez les poser sur une surface de telle sorte qu'ils travaillent ensemble pour former des transistors fonctionnels."

Les propriétés électriques de plusieurs de ces encres à nanocristaux ont été vérifiées de manière indépendante, mais ils n'avaient jamais été combinés en dispositifs complets.

"C'est le premier ouvrage, " Choi a dit, "montrant que tous les composants, le métallique, isolant, et les couches semi-conductrices des transistors, et même le dopage du semi-conducteur pourrait être réalisé à partir de nanocristaux."

Un tel processus implique de les superposer ou de les mélanger selon des motifs précis.

D'abord, l'encre à nanocristaux d'argent conducteur a été déposée à partir d'un liquide sur une surface plastique souple qui a été traitée avec un masque photolithographique, puis filé rapidement pour l'étirer en une couche uniforme. Le masque a ensuite été retiré pour laisser l'encre d'argent sous la forme de l'électrode de grille du transistor. Les chercheurs ont suivi cette couche en enduisant par centrifugation une couche d'isolant à base de nanocristaux d'oxyde d'aluminium, puis une couche du semi-conducteur à base de nanocristaux de séléniure de cadmium et enfin une autre couche masquée pour le mélange indium/argent, qui forme les électrodes de source et de drain du transistor. Lors du chauffage à des températures relativement basses, le dopant d'indium diffusait depuis ces électrodes dans le composant semi-conducteur.

"L'astuce avec le travail avec des matériaux basés sur des solutions est de s'assurer que, lorsque vous ajoutez la deuxième couche, il ne se lave pas le premier, etc, " a déclaré Kagan. "Nous avons dû traiter les surfaces des nanocristaux, à la fois lorsqu'ils sont en solution et après leur dépôt, pour s'assurer qu'ils ont les bonnes propriétés électriques et qu'ils collent ensemble dans la configuration que nous voulons."

Parce que ce processus de fabrication entièrement à base d'encre fonctionne à des températures plus basses que les méthodes existantes à base de vide, les chercheurs ont pu fabriquer plusieurs transistors sur le même support en plastique souple en même temps.

"La fabrication de transistors sur de plus grandes surfaces et à des températures plus basses a été l'objectif d'une classe émergente de technologies, quand les gens pensent à l'Internet des objets, électronique flexible de grande surface et dispositifs portables, " a déclaré Kagan. " Nous n'avons pas encore développé tous les aspects nécessaires pour qu'ils puissent être imprimés, mais parce que ces matériaux sont tous basés sur des solutions, il démontre la promesse de cette classe de matériaux et ouvre la voie à la fabrication additive."