完全可回收！采用純水印刷的全碳薄膜晶體管

使用納米材料打印薄膜晶體管（TFTs）是未來電子產(chǎn)品的一種有前途的方法。然而，大多數(shù)油墨依靠對環(huán)境有害的溶劑來溶解納米材料并進行印后處理。

杜克大學(xué)的工程師們制造出了世界上第一個完全可回收的印刷電子產(chǎn)品，在制造過程中用水取代了化學(xué)物質(zhì)的使用。通過繞過對危險化學(xué)品的需求，該示范為工業(yè)界指明了一條可以減少其環(huán)境足跡和人類健康風(fēng)險的道路。這項研究于近日發(fā)表在Nano Letters上。

在這項工作中，作者展示了用半導(dǎo)體碳納米管(CNTs)、導(dǎo)電石墨烯和絕緣結(jié)晶納米纖維素(CNC)的全碳墨水打印的純水TFTs。雖然將這些納米材料懸浮到水性油墨中很容易實現(xiàn)，但事實證明，在沒有高溫、危險化學(xué)品和/或冗長的后處理的情況下，將這些油墨印刷成具有足夠表面覆蓋率的薄膜并多層堆疊以形成TFTs。使用氣溶膠噴射打印，該研究涉及最高溫度為70°C，并且沒有危險化學(xué)物質(zhì) - 所有油墨都是水性的，僅使用水進行加工。采用間歇漂洗技術(shù)解決了限制印刷水性碳納米管薄膜密度的表面粘附挑戰(zhàn)。這些發(fā)現(xiàn)為薄膜電子的環(huán)保實現(xiàn)提供了有希望的步驟。

來源:Nano Letters(2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04196

任何電子制造商面臨的主要挑戰(zhàn)之一是成功地將多層組件相互連接，這對于制造復(fù)雜設(shè)備至關(guān)重要。讓這些層粘在一起可能是一個令人沮喪的過程，特別是對于印刷電子產(chǎn)品。

這項研究的負(fù)責(zé)人、杜克大學(xué)電氣與計算機工程艾迪教授亞倫·富蘭克林解釋說：“如果你要做花生醬和果凍三明治，在兩片面包上涂一層很容易。”“但如果你先把果凍放下，然后再在上面抹上花生醬，那就別想了，果凍不會待在原地，會和花生醬混在一起。把層疊加起來并不像把它們單獨放下那么容易，但如果你想用打印技術(shù)制造電子設(shè)備，這就是你必須做的?！?/p>

在之前的工作中，富蘭克林和他的團隊展示了第一個完全可回收的印刷電子產(chǎn)品。該設(shè)備使用了三種碳基墨水：半導(dǎo)體碳納米管、導(dǎo)電石墨烯和絕緣納米纖維素。在試圖將原來的工藝改為只使用水的過程中，碳納米管提出了最大的挑戰(zhàn)。

為了制造一種碳納米管不會聚集在一起并均勻地分布在表面上的水性油墨，添加了一種類似于洗滌劑的表面活性劑。然而，由此產(chǎn)生的墨水并沒有產(chǎn)生一層密度足夠大的碳納米管，以使大電流的電子通過。

“你希望碳納米管看起來像散落在平坦表面上的意大利面，”富蘭克林說?！暗鞘褂盟阅?，它們看起來更像是被一個接一個地拿走并扔在墻上以檢查熟度。如果我們使用化學(xué)品，我們可以一次又一次地打印多次通道，直到有足夠的納米管。但是水不是這樣工作的。我們可以做100次，但密度仍然和第一次一樣?！?/p>

這是因為用于防止碳納米管結(jié)塊的表面活性劑也可以防止額外的層附著在第一層上。在傳統(tǒng)的制造過程中，除去這些表面活性劑需要使用非常高的溫度（這需要消耗大量的能量），或者使用苛刻的化學(xué)物質(zhì)（這可能會對人類和環(huán)境造成健康風(fēng)險）。富蘭克林和他的團隊希望避免這兩種情況。

在這篇論文中，富蘭克林和他的團隊開發(fā)了一個循環(huán)過程，在這個過程中，設(shè)備用水沖洗，在相對較低的溫度下干燥，然后再次打印。當(dāng)墨水中使用的表面活性劑的量也降低時，研究人員表明，他們的墨水和工藝可以制造出功能齊全、完全可回收、完全水基的晶體管。

與電阻器或電容器相比，晶體管是一種相對復(fù)雜的計算機組件，用于電源控制或邏輯電路和傳感器等設(shè)備。富蘭克林解釋說，通過首先演示晶體管，他希望向該領(lǐng)域的其他人發(fā)出信號，即有一條可行的途徑可以使一些電子制造工藝更加環(huán)保。

富蘭克林已經(jīng)證明，印刷中使用的碳納米管和石墨烯幾乎100%可以在同一過程中回收和再利用，幾乎不會損失物質(zhì)或其性能可行性。由于納米纖維素是由木材制成的，它可以像紙一樣簡單地回收或生物降解。雖然這一過程確實會消耗大量的水，但遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)制造方法中處理有毒化學(xué)物質(zhì)所需的水多。

據(jù)聯(lián)合國估計，每年被丟棄的數(shù)百萬磅電子產(chǎn)品中，只有不到四分之一被回收。隨著世界最終升級到6G設(shè)備，以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的不斷擴展，這個問題只會變得更糟。因此，任何能在這堆積如山的電子垃圾中有所作為的舉措都是非常重要的。

雖然還有很多工作要做，但富蘭克林說，這種方法可以用于制造其他電子元件，比如現(xiàn)在社會上無處不在的屏幕和顯示器。每個電子顯示器都有一個薄膜晶體管的背板，類似于論文中所演示的。目前的制造技術(shù)是高能量的，依賴于危險化學(xué)品和有毒氣體。整個行業(yè)已被美國環(huán)境保護署標(biāo)記為立即關(guān)注。

富蘭克林說：“我們的薄膜晶體管的性能比不上目前制造的最好的晶體管，但它們具有足夠的競爭力，足以向研究界表明，我們都應(yīng)該做更多的工作，使這些工藝更環(huán)保。”

審核編輯 ：李倩