(Phys.org)—Elektroniska kretsar är vanligtvis integrerade i styva kiselskivor, men flexibilitet öppnar upp för ett brett spektrum av applikationer. I en värld där elektroniken blir mer genomgripande, flexibilitet är en mycket önskvärd egenskap, men att hitta material med rätt blandning av prestanda och tillverkningskostnad är fortfarande en utmaning.

Nu har ett team av forskare från University of Pennsylvania visat att partiklar i nanoskala, eller nanokristaller, av halvledaren kadmiumselenid kan "tryckas" eller "beläggas" på flexibla plaster för att bilda högpresterande elektronik.

Forskningen leddes av David Kim, en doktorand vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science; Yuming Lai, en doktorand vid Ingenjörshögskolans institution för el- och systemteknik; och professor Cherie Kagan, som har anställningar på båda institutionerna samt på Konstnärliga högskolans institution för kemi. Benjamin Diroll, doktorand i kemi, och Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray från materialvetenskap och kemi samarbetade också i forskningen.

Deras arbete publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

"Vi har ett prestandariktmärke inom amorft kisel, vilket är materialet som kör skärmen i din bärbara dator, bland andra enheter, " sa Kagan. "Här, Vi visar att dessa kadmiumselenid nanokristallenheter kan flytta elektroner 22 gånger snabbare än i amorft kisel."

Förutom hastighet, en annan fördel kadmiumselenid nanokristaller har jämfört med amorft kisel är temperaturen vid vilken de avsätts. Medan amorft kisel använder en process som fungerar vid flera hundra grader, kadmiumselenid nanokristaller kan avsättas vid rumstemperatur och härda vid milda temperaturer, öppnar upp för möjligheten att använda mer flexibla plastfundament.

En annan innovation som gjorde det möjligt för forskarna att använda flexibel plast var deras val av ligander, de kemiska kedjorna som sträcker sig från nanokristallernas ytor och hjälper till att underlätta konduktiviteten när de packas ihop till en film.

"Det har gjorts många elektrontransportstudier på kadmiumselenid, men tills nyligen har vi inte kunnat få bra prestanda ur dem, "Sade Kim. "Den nya aspekten av vår forskning var att vi använde ligander som vi kan översätta mycket lätt till den flexibla plasten; andra ligander är så frätande att plasten faktiskt smälter."

Eftersom nanokristallerna är dispergerade i en bläckliknande vätska, flera typer av deponeringstekniker kan användas för att göra kretsar. I deras studie, forskarna använde spincoating, där centrifugalkraften drar ett tunt lager av lösningen över en yta, men nanokristallerna kunde appliceras genom doppning, sprutning eller bläckstråleutskrift också.

På ett flexibelt plastark mönstrades ett bottenskikt av elektroder med hjälp av en skuggmask - i huvudsak en stencil - för att markera en nivå av kretsen. Forskarna använde sedan stencilen för att definiera små områden av ledande guld för att göra de elektriska anslutningarna till övre nivåer som skulle bilda kretsen. Ett isolerande aluminiumoxidskikt infördes och ett 30 nanometers skikt av nanokristaller belades från lösning. Till sist, elektroder på översta nivån avsattes genom skuggmasker för att slutligen bilda kretsarna.

"De mer komplexa kretsarna är som byggnader med flera våningar, " sa Kagan. "Guldet fungerar som trappor som elektronerna kan använda för att färdas mellan dessa våningar."

Genom att använda denna process, forskarna byggde tre typer av kretsar för att testa nanokristallernas prestanda för kretsapplikationer:en växelriktare, en förstärkare och en ringoscillator.

"En växelriktare är den grundläggande byggstenen för mer komplexa kretsar, " sa Lai. "Vi kan också visa förstärkare, som förstärker signalamplituden i analoga kretsar, och ringoscillatorer, där "på" och "av"-signaler sprids ordentligt över flera steg i digitala kretsar."

"Och alla dessa kretsar fungerar med ett par volt, " Sa Kagan. "Om du vill ha elektronik för bärbara enheter som kommer att fungera med batterier, de måste arbeta med låg spänning annars kommer de inte att vara användbara."

Med kombinationen av flexibilitet, relativt enkla tillverkningsprocesser och låga effektkrav, dessa kadmiumselenid nanokristallkretsar kan bana väg för nya typer av enheter och genomträngande sensorer, som kan ha biomedicinska eller säkerhetsapplikationer.

"Denna forskning öppnar också för möjligheten att använda andra typer av nanokristaller, som vi har visat är materialaspekten inte längre en begränsning, " sa Kim.