Νανοκρύσταλλοι: Η μελέτη και εξέλιξή τους μπορεί να οδηγήσει σε εύκαμπτα ηλεκτρονικά
Σε ένα κόσμο που τα ηλεκτρονικά γίνονται όλο και πιο διαδεδομένα, η ευκαμψία είναι ένα πολύ επιθυμητό χαρακτηριστικό αλλά το να βρούμε τα υλικά με τη σωστή αναλογία απόδοσης και κόστους παραγωγής παραμένει μια πρόκληση. Μια ομάδα ερευνητών από το πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια ανακάλυψε ότι μόρια μεγέθους μερικών νανομέτρων του ημιαγωγού σεληνιούχου καδμίου μπορούν να τυπωθούν ή να επιστρωθούν σε κομμάτια εύκαμπτου πλαστικού δημιουργώντας υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικά. Σε ένα κόσμο που τα ηλεκτρονικά γίνονται όλο και πιο διαδεδομένα, η ευκαμψία είναι ένα πολύ επιθυμητό χαρακτηριστικό αλλά το να βρούμε τα υλικά με τη σωστή αναλογία απόδοσης και κόστους παραγωγής παραμένει μια πρόκληση. Μια ομάδα ερευνητών από το πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια ανακάλυψε ότι μόρια μεγέθους μερικών νανομέτρων του ημιαγωγού σεληνιούχου καδμίου μπορούν να τυπωθούν ή να επιστρωθούν σε κομμάτια εύκαμπτου πλαστικού δημιουργώντας υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικά.
Ο David Kim, διδακτορικός στο τμήμα Επιστήμης των Υλικών και Μηχανικής της σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών της Πενσιλβάνια δήλωσε ότι: "Έχουν γίνει πολλές έρευνες για την μεταφορά ηλεκτρονίων στο σεληνιούχο κάδμιο αλλά μέχρι πρόσφατα δεν είχαμε καταφέρει να έχουμε καλή απόδοση. Μια νέα πτυχή στην έρευνά μας ήταν η χρήση συνδετικών μορίων τα οποία είναι εύκολο να μετατραπούν σε εύκαμπτο πλαστικό. Κάποια συνδετικά μόρια είναι τόσο καυστικά που λιώνουν το πλαστικό".
Επειδή οι νανοκρύσταλλοι είναι διασκορπισμένοι σε ένα υγρό που μοιάζει με μελάνι μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές τεχνικές εναπόθεσης για να δημιουργήσουμε κυκλώματα. Στην έρευνά τους οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν την τεχνική του spincoating με την οποία ένα λεπτό στρώμα του διαλύματος τραβιέται από τη φυγόκεντρο δύναμη πάνω σε μια επιφάνεια αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες μέθοδοι όπως η εμβάπτιση, ο ψεκασμός ή ακόμα και η inject εκτύπωση.
Σύμφωνα με την ίδια έρευνα σε αυτές τις συσκευές από νανοκρύσταλλους σεληνιούχου καδμίου τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν 22 φορές γρηγορότερα απ' ότι στο άμορφο πυρίτιο. Εκτός από την ταχύτητα, ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η θερμοκρασία στη οποία γίνεται η διαμόρφωση του υλικού. Ενώ για το άμορφο πυρίτιο χρησιμοποιούνται διαδικασίες που απαιτούν θερμοκρασίες αρκετών εκατοντάδων βαθμών Κελσίου, οι νανοκρύσταλλοι σεληνιούχου καδμίου μπορούν να διαμορφωθούν σε θερμοκρασία δωματίου και να συγκολληθούν σε ήπιες θερμοκρασίες δίνοντάς μας έτσι την ευκαιρία να χρησιμοποιήσουμε πιο εύκαμπτες πλαστικές βάσεις.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα στένσιλ για να διαμορφώσουν ένα κατώτερο επίπεδο ηλεκτροδίων. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το στενσιλ για να επισημάνουν μικρές περιοχές όπου θα τοποθετηθεί αγώγιμος χρυσός για να δημιουργηθούν ηλεκτρικές συνδέσεις με τα ανώτερα στρώματα. Το επόμενο βήμα είναι η τοποθέτηση μονωτικής στρώσης οξειδίου του αργιλίου και η επίστρωση ενός στρώματος 30nm νανοκρυστάλλων. Στο τέλος τοποθετήθηκαν τα ηλεκτρόδια του επάνω στρώματος πάλι μέσω στένσιλ έτσι ώστε να σχηματισθεί ολόκληρο το κύκλωμα.
Τα κυκλώματα αυτά λειτουργούν με ελάχιστα volt και έτσι είναι χρήσιμα σε φορητές συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία. Με την τεχνική που αναφέρθηκε προηγουμένως, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατασκευάσουν τριών ειδών κυκλώματα: έναν αντιστροφέα που είναι η βάση για την κατασκευή πιο πολύπλοκων κυκλωμάτων, έναν ενισχυτή ο οποίος ενισχύει το πλάτος του σήματος σε αναλογικά κυκλώματα και έναν ταλαντωτή δακτυλίου ο οποίος μεταδίδει σωστά σήματα "on" και "off" σε πολλαπλά στάδια ψηφιακών κυκλωμάτων.
Συνδυάζοντας την ευκαμψία, την σχετικά εύκολη διαδικασία παραγωγής και τις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις οι νανοκρύσταλλοι σεληνιούχου καδμίου θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για νέου είδους συσκευές και διεισδητικούς αισθητήρες με εφαρμογές στη βιοϊατρική αλλά και την ασφάλεια.
Ο David Kim, διδακτορικός στο τμήμα Επιστήμης των Υλικών και Μηχανικής της σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών της Πενσιλβάνια δήλωσε ότι: "Έχουν γίνει πολλές έρευνες για την μεταφορά ηλεκτρονίων στο σεληνιούχο κάδμιο αλλά μέχρι πρόσφατα δεν είχαμε καταφέρει να έχουμε καλή απόδοση. Μια νέα πτυχή στην έρευνά μας ήταν η χρήση συνδετικών μορίων τα οποία είναι εύκολο να μετατραπούν σε εύκαμπτο πλαστικό. Κάποια συνδετικά μόρια είναι τόσο καυστικά που λιώνουν το πλαστικό".
Επειδή οι νανοκρύσταλλοι είναι διασκορπισμένοι σε ένα υγρό που μοιάζει με μελάνι μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές τεχνικές εναπόθεσης για να δημιουργήσουμε κυκλώματα. Στην έρευνά τους οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν την τεχνική του spincoating με την οποία ένα λεπτό στρώμα του διαλύματος τραβιέται από τη φυγόκεντρο δύναμη πάνω σε μια επιφάνεια αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες μέθοδοι όπως η εμβάπτιση, ο ψεκασμός ή ακόμα και η inject εκτύπωση.
Σύμφωνα με την ίδια έρευνα σε αυτές τις συσκευές από νανοκρύσταλλους σεληνιούχου καδμίου τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν 22 φορές γρηγορότερα απ' ότι στο άμορφο πυρίτιο. Εκτός από την ταχύτητα, ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η θερμοκρασία στη οποία γίνεται η διαμόρφωση του υλικού. Ενώ για το άμορφο πυρίτιο χρησιμοποιούνται διαδικασίες που απαιτούν θερμοκρασίες αρκετών εκατοντάδων βαθμών Κελσίου, οι νανοκρύσταλλοι σεληνιούχου καδμίου μπορούν να διαμορφωθούν σε θερμοκρασία δωματίου και να συγκολληθούν σε ήπιες θερμοκρασίες δίνοντάς μας έτσι την ευκαιρία να χρησιμοποιήσουμε πιο εύκαμπτες πλαστικές βάσεις.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα στένσιλ για να διαμορφώσουν ένα κατώτερο επίπεδο ηλεκτροδίων. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το στενσιλ για να επισημάνουν μικρές περιοχές όπου θα τοποθετηθεί αγώγιμος χρυσός για να δημιουργηθούν ηλεκτρικές συνδέσεις με τα ανώτερα στρώματα. Το επόμενο βήμα είναι η τοποθέτηση μονωτικής στρώσης οξειδίου του αργιλίου και η επίστρωση ενός στρώματος 30nm νανοκρυστάλλων. Στο τέλος τοποθετήθηκαν τα ηλεκτρόδια του επάνω στρώματος πάλι μέσω στένσιλ έτσι ώστε να σχηματισθεί ολόκληρο το κύκλωμα.
Τα κυκλώματα αυτά λειτουργούν με ελάχιστα volt και έτσι είναι χρήσιμα σε φορητές συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία. Με την τεχνική που αναφέρθηκε προηγουμένως, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατασκευάσουν τριών ειδών κυκλώματα: έναν αντιστροφέα που είναι η βάση για την κατασκευή πιο πολύπλοκων κυκλωμάτων, έναν ενισχυτή ο οποίος ενισχύει το πλάτος του σήματος σε αναλογικά κυκλώματα και έναν ταλαντωτή δακτυλίου ο οποίος μεταδίδει σωστά σήματα "on" και "off" σε πολλαπλά στάδια ψηφιακών κυκλωμάτων.
Συνδυάζοντας την ευκαμψία, την σχετικά εύκολη διαδικασία παραγωγής και τις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις οι νανοκρύσταλλοι σεληνιούχου καδμίου θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για νέου είδους συσκευές και διεισδητικούς αισθητήρες με εφαρμογές στη βιοϊατρική αλλά και την ασφάλεια.
