Inom projektet Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP) försökte forskare från Empa, EPFL och Paul Scherrer Institute skriva ut tunnfilmstransistorer med metalloxider på värmekänsliga material som papper eller PET. Målet uppnåddes till slut inte, men de inblandade anser att projektet är en framgång – på grund av en ny tryckfärg och en transistor med "minneseffekt".

Ribban var utan tvekan högt:Målet var att lyckas trycka tunnfilmstransistorer på papperssubstrat eller PET-filmer. Elektroniska kretsar med sådana element spelar en viktig roll i det växande Internet of Things (IoT), till exempel som sensorer på dokument, flaskor, förpackningar – en global marknad värd miljarder.

Om det vore möjligt att tillverka sådana transistorer med oorganiska metalloxider skulle detta öppna upp för en uppsjö av nya möjligheter. Jämfört med organiska material som den halvledande polymeren polytiofen, förklarar projektledaren Yaroslav Romanyuk från Empas Laboratory for Thin Films and Photovoltaics, är elektronerna i dessa material mycket mer rörliga. De kan därför avsevärt öka prestandan hos sådana element och skulle inte behöva skyddas mot luft och fukt med dyr inkapsling.

Värme som en utmaning

Det finns ett problem med bläck som innehåller metalloxider:För att bilda en stabil transistor måste materialen sintras efter tryckning - vanligtvis i en ugn. Alternativt kan torkning och sintring göras med ljus - till exempel med lågvågig ultraviolett strålning eller en xenonlampa. Det tryckta lagret värms upp med mycket korta ljusglimt för att skydda underlaget. Vatten, lösningsmedel och bindemedel lämnar materialet i processen.

Ändå värmer sådana processer upp substratet till upp till 200 grader – alldeles för varmt för papper eller PET, som börjar tappa sin styrka vid temperaturer runt 80 grader, medan andra plaster som polyimider tål mycket högre temperaturer.

Från 2017 till 2021, i ett projekt av "Strategic Focus Area—Advanced Manufacturing" (SFA-AM) initierat av ETH-styrelsen, experter från Empa, EPFL:s Soft Transducers Laboratory och Polymer Nanotechnology Group vid Paul Scherrer Institute (PSI) arbetade tillsammans i varje steg i processen – till exempel beläggningar för att jämna ut ytan på papper, bläckformuleringar, bestrålning etc. – och gjorde en hel del framsteg.

Men deras "yttersta önskan", som Romanyuk säger, att skriva ut funktionella tunnfilmstransistorer på papper, gick inte i uppfyllelse. Processtemperaturerna var fortfarande för höga, materialet för grovt. Och de tryckta transistorerna på polymerfilmer hade i slutändan för låg elektrisk effekt.

Förvänta det oväntade

Besviken? Nej, säger Jakob Heier från Empas Functional Polymers-labb. "Projektet var på intet sätt ett misslyckande." Inte bara på grund av nya insikter i tekniska detaljer, utan på grund av oväntade "sidoresultat".

"Det här var ett mycket spännande projekt med många överraskningar", säger Heier och påminner om en incident som skulle få konsekvenser. Det handlade om materialet grafen, ledande kol i atomtunna skikt som även lämpar sig väl för tryckta transistorer på flexibla filmer.

En doktorand i teamet skulle inte vara nöjd med att grafenbläck inte kunde skrivas ut i högre koncentrationer. Partiklarna samlas, de klumpar ihop sig och en tunn hinna kan inte bildas på det sättet. Istället för att bara använda ett lösningsmedel provade forskaren en speciell emulsion av grafen och tre lösningsmedel. Men även denna beläggning misslyckades i första försöket. När bläcket blandades jämnt i nästa försök och sedan utsattes för lätta skjuvkrafter lyckades dock tryckningen.

Nyfiket undersökte experterna fenomenet och fann att skjuvkrafterna i grunden förändrar bläckets struktur. Den fina grafenen flagnar i vätskereformen, så att van der Waals krafter kan träda i kraft. Dessa är relativt svaga attraktionskrafter mellan atomer eller molekyler. Resultatet blev ett gelliknande bläck – utan bindemedel som polymerer, som annars säkerställer att vätskan behåller sin konsistens och inte segregerar.

En process med marknadspotential

Forskarna insåg en lösning med praktiska fördelar som fungerar även i rumstemperatur:Bläcket torkar utan att värmas upp. Som det visade sig kan sådana van der Waals-bläck produceras inte bara med grafen, utan också med andra tvådimensionella ämnen för utskrift. Under tiden har processen patenterats och vissa företag, enligt experterna, visar redan intresse för att producera de eftertraktade bläcken – allt detta efter en slump som teamet hade undersökt med sund nyfikenhet.

Det var inte den enda överraskningen i FOXIP-projektet, som Yaroslav Romanyuk berättar. En fälteffekttransistor med ett isolerande lager av aluminiumoxid, tryckt på en värmebeständig polyimidplast, avslöjade ett ganska märkligt beteende. Istället för en konstant signal, som man hade förväntat sig, visade den stigande vågor. Utsignalen blev starkare eftersom den "kom ihåg" tidigare inkommande signaler.

"Att visa en sådan "minneseffekt" är faktiskt inte önskvärt för en transistor, förklarar Romanyuk.

Men en annan elev i laget hade en idé om att använda fenomenet på ett annat sätt. En transistor med en sådan minneseffekt fungerar på samma sätt som kretsar i den mänskliga hjärnan. Synapser mellan nervceller överför inte bara signaler, utan lagrar dem också. För datorer som efterliknar den mänskliga hjärnan kan en sådan synaptisk transistor därför vara mycket intressant. Men vad kunde det göra?

Med stöd av Mozart

För att utforska dess potential byggde teamet en elektronisk kopia av den mänskliga hörselprocessen tillsammans med tunnfilmstransistorn – och matade den med en populär Mozart-låt:Rondo "Alla Turca" från Sonata nr 11 i A-dur.

"Det måste vara ett livligt stycke", säger Romanyuk med ett leende. Detta experiment och ytterligare analys visade att transistorns synaptiska funktion bevaras från några få hertz till nästan 50 000 hertz – en mycket högre bandbredd än jämförbara tryckta transistorer.

Naturligtvis är konkreta tillämpningar ännu inte i sikte för denna grundläggande forskning – som teamet publicerade i onlinetidskriften Scientific Reports —i motsats till tryckfärger utan pärmar. Men på vägen mot ny datorteknik kan insikterna vara ett användbart steg som kom som en överraskning – som det ofta har gjort i vetenskapens historia.

Sådana tillfälligheter är grädden på moset för Romanyuk och många andra forskare, särskilt i projekt på gränsen till vad som är genomförbart.

"Vi har medvetet satt upp våra mål väldigt högt", säger han. "Slumpar spelar en väldigt stor roll i det här. Du ställer dig själv en stor utmaning och sedan, plötsligt och oväntat, händer dessa tillfälligheter bara." + Utforska vidare

Tillverkning av tryckta högpresterande tunnfilmstransistorer som drivs vid en volt