Transistorn är den mest grundläggande byggstenen för elektronik, används för att bygga kretsar som kan förstärka elektriska signaler eller växla dem mellan 0:or och 1:or i hjärtat av digital beräkning. Transistortillverkning är en mycket komplex process, dock, kräver hög temperatur, högvakuumutrustning.

Nu, Ingenjörer från University of Pennsylvania har visat ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka dessa enheter:sekventiellt deponera deras komponenter i form av flytande nanokristall "bläck".

Deras nya studie, publiceras i Vetenskap , öppnar dörren för elektriska komponenter som kan byggas in i flexibla eller bärbara applikationer, eftersom den lägre temperaturprocessen är kompatibel med ett brett utbud av material och kan appliceras på större ytor.

Forskarnas nanokristallbaserade fälteffekttransistorer mönstrades på flexibla plastunderlag med hjälp av spinnbeläggning men kunde så småningom konstrueras av additiv tillverkningssystem, som 3D-skrivare.

Studien leddes av Cherie Kagan, Stephen J. Angello professor vid School of Engineering and Applied Science, och Ji-Hyuk Choi, sedan en medlem av hennes labb, nu seniorforskare vid Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Han Wang, Soong Ju Oh, Taejong Paik och Pil Sung Jo från Kagan-labbet bidrog till arbetet. De samarbetade med Christopher Murray, en Penn Integrerar Knowledge Professor med utnämningar i School of Arts &Sciences och Penn Engineering; Murray labbmedlemmar Xingchen Ye och Benjamin Diroll; och Jinwoo Sung från Koreas Yonsei University.

Forskarna började med att ta nanokristaller, eller ungefär sfäriska partiklar i nanoskala, med de elektriska egenskaper som krävs för en transistor och dispergering av dessa partiklar i en vätska, gör nanokristallbläck.

Kagans grupp utvecklade ett bibliotek med fyra av dessa bläck:en ledare (silver), en isolator (aluminiumoxid), en halvledare (kadmiumselenid) och en ledare i kombination med ett dopmedel (en blandning av silver och indium). Att "dopa" transistorns halvledarskikt med föroreningar styr om enheten sänder en positiv eller negativ laddning.

"Dessa material är kolloider precis som bläcket i din bläckstråleskrivare, " sa Kagan, "men du kan få alla egenskaper som du vill ha och förväntar dig av de analoga bulkmaterialen, till exempel om de är konduktörer, halvledare eller isolatorer.

"Vår fråga var om man kunde lägga ner dem på en yta på ett sådant sätt att de samverkar för att bilda funktionella transistorer."

De elektriska egenskaperna hos flera av dessa nanokristallbläck hade verifierats oberoende av varandra, men de hade aldrig kombinerats till fullständiga enheter.

"Detta är det första verket, " Choi sa, "visar att alla komponenter, det metalliska, isolerande, och halvledande skikt av transistorerna, och till och med dopningen av halvledaren kunde göras från nanokristaller."

En sådan process innebär skiktning eller blandning av dem i exakta mönster.

Först, det ledande nanokristallbläcket av silver avsattes från vätska på en flexibel plastyta som behandlades med en fotolitografisk mask, snurrade sedan snabbt för att dra ut den i ett jämnt lager. Masken togs sedan bort för att lämna silverbläcket i form av transistorns gate-elektrod. Forskarna följde det lagret genom att spinnbelägga ett lager av den nanokristallbaserade isolatorn av aluminiumoxid, sedan ett lager av den kadmiumselenid nanokristallbaserade halvledaren och slutligen ett annat maskerat lager för indium/silverblandningen, som bildar transistorns source- och drain-elektroder. Vid uppvärmning vid relativt låga temperaturer, indiumdopmedlet diffunderade från dessa elektroder in i halvledarkomponenten.

"Knepet med att arbeta med lösningsbaserade material är att se till att när du lägger till det andra lagret, det tvättar inte av den första, och så vidare, ", sa Kagan. "Vi var tvungna att behandla ytorna på nanokristallerna, både när de först är i lösning och efter att de har deponerats, för att se till att de har rätt elektriska egenskaper och att de håller ihop i den konfiguration vi vill ha."

Eftersom denna helt bläckbaserade tillverkningsprocess fungerar vid lägre temperaturer än befintliga vakuumbaserade metoder, forskarna kunde tillverka flera transistorer på samma flexibla plastunderlag samtidigt.

"Att tillverka transistorer över större ytor och vid lägre temperaturer har varit mål för en framväxande klass av teknologier, när folk tänker på sakernas internet, flexibel elektronik med stor yta och bärbara enheter, " sa Kagan. "Vi har inte utvecklat alla nödvändiga aspekter så att de kan skrivas ut ännu, men eftersom dessa material alla är lösningsbaserade, det visar löftet med denna materialklass och sätter scenen för additiv tillverkning."