賓州大學(xué)在開發(fā)用納米晶體油墨3D打印晶體管技術(shù)
2016-04-11 來源：中國聚合物網(wǎng)
眾所周知，晶體管是電子產(chǎn)品中最基本的構(gòu)建單元，它主要用于生成能夠放大、開關(guān)、穩(wěn)壓和信號調(diào)制的電路。然而，晶體管的制造卻是一個高度復(fù)雜的過程，需要高溫、高真空的設(shè)備。
如今，美國賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)的工程師們在該校工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Cherie Kagan教授的帶領(lǐng)下已經(jīng)找到了一種制造這種設(shè)備的新方法：以一種液體納米晶體“墨水”的形式順序沉積其部件。
他們的這一最新研究成果已經(jīng)被發(fā)表在了《Science》雜志上。有評論認(rèn)為這一技術(shù)為將電器元件內(nèi)置到柔性或者可穿戴應(yīng)用中打開了大門，此外，這一技術(shù)要求的溫度很低，而且能夠兼容各種各樣的材料。因此可以預(yù)見其應(yīng)用范圍將會相當(dāng)廣闊。
研究者基于納米晶體的場效應(yīng)晶體管是使用旋涂技術(shù)繪制柔性塑料背襯上的。不過這一過程最終可能通過增材制造系統(tǒng)，比如3D打印機(jī)來完成。
研究人員一開始需要將晶體管所需要的納米晶體，或者說球形的納米尺寸顆粒分散在液體中，制造出納米晶體油墨。據(jù)悉，Kagan的團(tuán)隊總共開發(fā)出了一組四種油墨，分別是：一種導(dǎo)體（銀）、一種絕緣體（氧化鋁）、一種半導(dǎo)體 （硒化鎘），以及一種結(jié)合了摻雜劑的導(dǎo)體（銀和銦的混合物）？茖W(xué)家們可以通過向晶體管的半導(dǎo)體層摻雜雜質(zhì)來控制裝置傳送正或負(fù)的電荷。
“這些材料是膠體，就像噴墨打印機(jī)中的墨水！盞agan說：“但是你可以獲得想要的任何屬性，比如導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體等，而我們的問題是如何將其安置在表面上，形成功能晶體管。”
這些納米油墨的電性能已經(jīng)被分別證實，但是它們之前還從沒有被組合在一起形成完整的裝置！斑@是第一次此類的研究！痹撗芯繄F(tuán)隊的成員之一，韓國地質(zhì)礦產(chǎn)研究所得高級研究院Choi說：“結(jié)果顯示，晶體管的所有組件，包括金屬層、絕熱層、保溫層、半導(dǎo)體層，甚至摻雜半導(dǎo)體都可以由納米晶體制成！
但是要實現(xiàn)它們就需要在一種精細(xì)的圖案結(jié)構(gòu)里將其分層或者混合。
首先，銀納米晶體顆粒通過液體沉積在使用了光刻掩模的柔性塑料表面，然后迅速旋轉(zhuǎn)將其繪在了一個平層上。該掩模隨后被拿走，留下了被制成晶體管柵電極形狀的銀油墨。研究人員接著在上面再旋涂一層基于氧化鋁納米晶體的絕緣體油墨，之后再覆蓋一層基于硒化鎘晶體顆粒的半導(dǎo)體層，最后再用掩模覆上銦/銀混合物，由其制成晶體管的源極和漏極。然后再在相對較低的溫度下加熱，該銦摻雜會從這些電極擴(kuò)散到半導(dǎo)體部件里。
“使用基于溶液的材料進(jìn)行操作的要點在于，當(dāng)您添加第二層時，要確保第一層不被沖走！盞agan說！拔覀儾坏貌粚{米晶體進(jìn)行表面處理，無論是一開始它們在溶液里的時候還是沉積之后，這主要是為了保證它們擁有正確的電屬性以及能夠按照我們希望的方式粘在一起！
由于該基于油墨的制造工藝是在較低的溫度下（與當(dāng)下基于真空的方法相比）完成的，因此研究人員們能夠在同一個柔性塑料背襯上同時做出幾個晶體管。
“在更大面積、更低溫度條件下制作晶體管一直是很多新興技術(shù)追求的目標(biāo)，比如物聯(lián)網(wǎng)、大面積柔性電子和可穿戴設(shè)備等！盞agan說：“我們還沒有完成所有必要環(huán)節(jié)的開發(fā)，所以它們目前還不能打印。但是由于這些材料都是基于溶液狀態(tài)的，因此理論上說，它們完全可以通過增材制造來生成晶體管！
如今，美國賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)的工程師們在該校工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Cherie Kagan教授的帶領(lǐng)下已經(jīng)找到了一種制造這種設(shè)備的新方法：以一種液體納米晶體“墨水”的形式順序沉積其部件。
研究者基于納米晶體的場效應(yīng)晶體管是使用旋涂技術(shù)繪制柔性塑料背襯上的。不過這一過程最終可能通過增材制造系統(tǒng)，比如3D打印機(jī)來完成。
研究人員一開始需要將晶體管所需要的納米晶體，或者說球形的納米尺寸顆粒分散在液體中，制造出納米晶體油墨。據(jù)悉，Kagan的團(tuán)隊總共開發(fā)出了一組四種油墨，分別是：一種導(dǎo)體（銀）、一種絕緣體（氧化鋁）、一種半導(dǎo)體 （硒化鎘），以及一種結(jié)合了摻雜劑的導(dǎo)體（銀和銦的混合物）？茖W(xué)家們可以通過向晶體管的半導(dǎo)體層摻雜雜質(zhì)來控制裝置傳送正或負(fù)的電荷。
這些納米油墨的電性能已經(jīng)被分別證實，但是它們之前還從沒有被組合在一起形成完整的裝置！斑@是第一次此類的研究！痹撗芯繄F(tuán)隊的成員之一，韓國地質(zhì)礦產(chǎn)研究所得高級研究院Choi說：“結(jié)果顯示，晶體管的所有組件，包括金屬層、絕熱層、保溫層、半導(dǎo)體層，甚至摻雜半導(dǎo)體都可以由納米晶體制成！
但是要實現(xiàn)它們就需要在一種精細(xì)的圖案結(jié)構(gòu)里將其分層或者混合。
首先，銀納米晶體顆粒通過液體沉積在使用了光刻掩模的柔性塑料表面，然后迅速旋轉(zhuǎn)將其繪在了一個平層上。該掩模隨后被拿走，留下了被制成晶體管柵電極形狀的銀油墨。研究人員接著在上面再旋涂一層基于氧化鋁納米晶體的絕緣體油墨，之后再覆蓋一層基于硒化鎘晶體顆粒的半導(dǎo)體層，最后再用掩模覆上銦/銀混合物，由其制成晶體管的源極和漏極。然后再在相對較低的溫度下加熱，該銦摻雜會從這些電極擴(kuò)散到半導(dǎo)體部件里。
由于該基于油墨的制造工藝是在較低的溫度下（與當(dāng)下基于真空的方法相比）完成的，因此研究人員們能夠在同一個柔性塑料背襯上同時做出幾個晶體管。
“在更大面積、更低溫度條件下制作晶體管一直是很多新興技術(shù)追求的目標(biāo)，比如物聯(lián)網(wǎng)、大面積柔性電子和可穿戴設(shè)備等！盞agan說：“我們還沒有完成所有必要環(huán)節(jié)的開發(fā)，所以它們目前還不能打印。但是由于這些材料都是基于溶液狀態(tài)的，因此理論上說，它們完全可以通過增材制造來生成晶體管！
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