印刷电子的创纪录性能

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  采用碳纳米管以及一种新型绝缘材料,研究员们已经制造出迄今为止适用于印刷电子设备的最佳性能韧性电路。由这些材料印刷出的集成电路能被用于驱动简易的显示屏和外用药贴,而这样的韧性纳米管阵列还可能被用作电信中的发光源。
  印刷电子意味着可扩展、低成本,以及柔韧性。 “印刷使你获得可扩展性和低成本,不过这个领域一直被表现欠佳的有机半导体统治着。”美国西北大学材料科学和工程教授马克·何萨姆(Mark Hersam)表示。另一方面,碳纳米管则为韧性电子提供了一种高性能的替代品。不过,目前制造出的纳米管印刷电路需要大量电能以高速转换——比如,在驱动显示器的时候,这就意味着要在画面刷新率和设备电池寿命间做出权衡。
  通过与明尼苏达大学化学工程教授丹尼尔·弗里斯比(Darnel Frisbie)带领的研究员们(包括已毕业的学生哈明静(Mingjing Ha,音译))合作,何萨姆已经克服了印刷高性能纳米管电路的两个主要困难。第一个挑战是,研究员们不知道如何批量制造纯半导体纳米管。含有金属的纳米管在印刷电路中的表现就像小型铜线,会使电路短路。新型设备之所以获得性能的提升,是因为何萨姆在2006年开发出的一种技术,可以分离出纯净的半导体管溶液用于设备电路印刷。纯纳米管为转换速度带来了提升。
  第二个挑战在于能耗需求。在过去制造的印刷电路中,纳米管与绝缘材料搭配使用效果不太好。这是因为很难控制这些材料印刷的厚度,从而影响了设备的质量。弗里斯比将纳米管与一种新型可印刷绝缘材料搭配,这是一种凝胶,即使印得厚厚的也有很好的电气性能。
  弗里斯比和何萨姆已经使用纯纳米管和这种凝胶绝缘体印刷出了具有创纪录性能的集成电路。在ACS Nano期刊的网站上,他们宣布了能在2.5伏的电压下以2KHz(每秒大约2000次)的频率转换的韧性电路。 “他们打造的设备和电路对于室温下,基于印刷的制作工艺来说具有创纪录的特性。”伊利诺大学香槟分校材料科学和工程教授约翰·罗杰斯(John Rogers)说。“这样的结果令人兴奋,并且预示着碳纳米管在电子领域一个重要而实际的应用。”
  这个团队宣称正在制造含有多达14个晶体管的简单电路。“现在的想法是把这再推进一些,制造出更加复杂的电路和功能。”弗里斯比说。关于下一个阶段的规模,明尼苏达团队正在寻找含有100个晶体管电路的用武之地,比如简单的感应器和显示器。这样的设备应付不了转换电子纸张里的像素所需的高电压,不过它们与有机发光二极管合作起来游刃有余。而何萨姆的团队则正在寻找纳米管印刷电子器件的其它应用。他们制造的这些设备还能被用来发射和吸收光线,尤其是用于电信和一些生物医学成像的近红外波长。
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