Högpresterande elektroniska kretsar gjorda helt av transparenta material kan ha otaliga tillämpningar, från head-up-displayer på bilvindrutor till transparenta TV-apparater och smarta fönster i hem och kontor. Forskare vid KAUST har hittat ett sätt att tillverka transparenta transistorer och andra viktiga komponenter i elektroniska kretsar med hjälp av billiga och lättillgängliga material och en enkel tillverkningsteknik1.
Indiumtennoxid (ITO) är det aktuella materialet för elektronik eftersom det kombinerar optisk transparens med elektrisk ledningsförmåga. Dess användning sträcker sig från beröringskänsliga smartphoneskärmar till solpaneler som tar ljus. Indium är en bristvara, dock, och när efterfrågan ökar på ITO-innehållande enheter, likaså priset på indium.
Ett lovande ITO-alternativ till låga kostnader är ett transparent material som kallas aluminiumdopad zinkoxid (AZO).
"Elementen som utgör detta material är rikligare än indium, gör AZO till ett kommersiellt förnuftigt alternativ, " sa professor Husam Alshareef från KAUST Physical Science and Engineering Division som också ledde forskningen. "Men, elektroniska enheter tillverkade med AZO har traditionellt visat sämre prestanda än enheter tillverkade med ITO."
För att övervinna denna begränsning, Alshareef och hans forskargrupp använde en högprecisionsteknik som kallas atomlageravsättning, en process där kretsen byggs upp ett enda lager av atomer åt gången. Flyktiga ångor av aluminium och zink i form av trimetylaluminium och dietylzink infördes växelvis på det transparenta substratet, där de fäster på ytan i ett enda lager innan de reagerar in situ för att bilda AZO.
"Att använda atomlageravsättning för att växa alla aktiva lager förenklar kretstillverkningsprocessen och förbättrar kretsens prestanda avsevärt genom att kontrollera lagertillväxten i atomskala, " förklarade Alshareef.
För många elektroniska enheter, nyckelkomponenten är tunnfilmstransistorn. När de kombineras i stort antal, dessa enheter tillåter datorer att göra beräkningar, drivenheten visar och fungerar som aktiva sensorer. Alshareef använde ett transparent material som kallas hafniumoxid som var inklämt mellan lager av zinkoxid för att bilda de mycket stabila transistorerna som användes för att tillverka de transparenta kretsarna.
"Våra transistoregenskaper är de hittills bäst rapporterade för helt transparenta transistorer som använder AZO -kontakter, "sade doktoranden Zhenwei Wang, som utförde mycket av det experimentella arbetet.
En annan fördel med Alshareefs tillvägagångssätt är att avsättning av atomlager endast kräver en temperatur på 160 grader Celsius för att bilda varje lager, vilket är tillräckligt lågt för att de transparenta kretsarna ska kunna formas på flexibla plastsubstrat såväl som på styvt glas.
