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(lái)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(duì)環(huán)境有害的溶劑來(lái)溶解納米材料并進(jìn)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(gè)完全可回收的印刷電子產(chǎn)品，在制造過(guò)程中用水取代了化學(xué)物質(zhì)的使用。通過(guò)繞過(guò)對(duì)危險(xiǎn)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(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)的道路。這項(xiàng)研究于近日發(fā)表在Nano Letters上。

在這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)，但事實(shí)證明，在沒(méi)有高溫、危險(xiǎn)化學(xué)品和/或冗長(zhǎng)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(méi)有危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì) - 所有油墨都是水性的，僅使用水進(jìn)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(shí)現(xiàn)提供了有希望的步驟。

來(lái)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(duì)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(gè)令人沮喪的過(guò)程，特別是對(duì)于印刷電子產(chǎn)品。

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、杜克大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程艾迪教授亞倫·富蘭克林解釋說(shuō)：“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?！薄暗绻阆劝压麅龇畔?，然后再在上面抹上花生醬，那就別想了，果凍不會(huì)待在原地，會(huì)和花生醬混在一起。把層疊加起來(lái)并不像把它們單獨(dú)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(tuán)隊(duì)展示了第一個(gè)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(lái)的工藝改為只使用水的過(guò)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(huì)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(lèi)似于洗滌劑的表面活性劑。然而，由此產(chǎn)生的墨水并沒(méi)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(guò)。

“你希望碳納米管看起來(lái)像散落在平坦表面上的意大利面，”富蘭克林說(shuō)?！暗鞘褂盟阅鼈兛雌饋?lái)更像是被一個(gè)接一個(gè)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?yàn)橛糜诜乐固技{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(guò)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(huì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境造成健康風(fēng)險(xiǎn)）。富蘭克林和他的團(tuán)隊(duì)希望避免這兩種情況。

在這篇論文中，富蘭克林和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)循環(huán)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)備用水沖洗，在相對(duì)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(shí)，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(duì)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)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(shuō)，通過(guò)首先演示晶體管，他希望向該領(lǐng)域的其他人發(fā)出信號(hào)，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(guò)程中回收和再利用，幾乎不會(huì)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(jiǎn)單地回收或生物降解。雖然這一過(guò)程確實(shí)會(huì)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(guó)估計(jì)，每年被丟棄的數(shù)百萬(wàn)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(jí)到6G設(shè)備，以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的不斷擴(kuò)展，這個(gè)問(wèn)題只會(huì)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(shuō)，這種方法可以用于制造其他電子元件，比如現(xiàn)在社會(huì)上無(wú)處不在的屏幕和顯示器。每個(gè)電子顯示器都有一個(gè)薄膜晶體管的背板，類(lèi)似于論文中所演示的。目前的制造技術(shù)是高能量的，依賴(lài)于危險(xiǎn)化學(xué)品和有毒氣體。整個(gè)行業(yè)已被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署標(biāo)記為立即關(guān)注。

富蘭克林說(shuō)：“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(jìng)爭(zhēng)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