宾州大学在开发用纳米晶体油墨3D打印晶体管技术

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众所周知，晶体管是电子产品中最基本的构建单元，它主要用于生成能够放大、开关、稳压和信号调制的电路。然而，晶体管的制造却是一个高度复杂的过程，需要高温、高真空的设备。
如今，美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师们在该校工程和应用科学学院Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造这种设备的新方法：以一种液体纳米晶体“墨水”的形式顺序沉积其部件。

他们的这一最新研究成果已经被发表在了《Science》杂志上。有评论认为这一技术为将电器元件内置到柔性或者可穿戴应用中打开了大门，此外，这一技术要求的温度很低，而且能够兼容各种各样的材料。因此可以预见其应用范围将会相当广阔。
研究者基于纳米晶体的场效应晶体管是使用旋涂技术绘制柔性塑料背衬上的。不过这一过程最终可能通过增材制造系统，比如3D打印机来完成。
研究人员一开始需要将晶体管所需要的纳米晶体，或者说球形的纳米尺寸颗粒分散在液体中，制造出纳米晶体油墨。据悉，Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨，分别是：一种导体（银）、一种绝缘体（氧化铝）、一种半导体 （硒化镉），以及一种结合了掺杂剂的导体（银和铟的混合物）。科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。

“这些材料是胶体，就像喷墨打印机中的墨水。”Kagan说：“但是你可以获得想要的任何属性，比如导体、半导体或绝缘体等，而我们的问题是如何将其安置在表面上，形成功能晶体管。”
这些纳米油墨的电性能已经被分别证实，但是它们之前还从没有被组合在一起形成完整的装置。“这是第一次此类的研究。”该研究团队的成员之一，韩国地质矿产研究所得高级研究院Choi说：“结果显示，晶体管的所有组件，包括金属层、绝热层、保温层、半导体层，甚至掺杂半导体都可以由纳米晶体制成。”
但是要实现它们就需要在一种精细的图案结构里将其分层或者混合。
首先，银纳米晶体颗粒通过液体沉积在使用了光刻掩模的柔性塑料表面，然后迅速旋转将其绘在了一个平层上。该掩模随后被拿走，留下了被制成晶体管栅电极形状的银油墨。研究人员接着在上面再旋涂一层基于氧化铝纳米晶体的绝缘体油墨，之后再覆盖一层基于硒化镉晶体颗粒的半导体层，最后再用掩模覆上铟/银混合物，由其制成晶体管的源极和漏极。然后再在相对较低的温度下加热，该铟掺杂会从这些电极扩散到半导体部件里。

“使用基于溶液的材料进行操作的要点在于，当您添加第二层时，要确保第一层不被冲走。”Kagan说。“我们不得不对纳米晶体进行表面处理，无论是一开始它们在溶液里的时候还是沉积之后，这主要是为了保证它们拥有正确的电属性以及能够按照我们希望的方式粘在一起。”
由于该基于油墨的制造工艺是在较低的温度下（与当下基于真空的方法相比）完成的，因此研究人员们能够在同一个柔性塑料背衬上同时做出几个晶体管。

“在更大面积、更低温度条件下制作晶体管一直是很多新兴技术追求的目标，比如物联网、大面积柔性电子和可穿戴设备等。”Kagan说：“我们还没有完成所有必要环节的开发，所以它们目前还不能打印。但是由于这些材料都是基于溶液状态的，因此理论上说，它们完全可以通过增材制造来生成晶体管。”

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