Представьте себе носимые датчики здоровья, умную упаковку, гибкие дисплеи или одноразовые контроллеры IoT, которые производятся как печатные газеты. Эта же технология может лежать в основе коммуникационных схем, датчиков и компонентов обработки сигналов, изготовленных полностью из двумерных материалов, полученных растворным методом.
Но до сих пор поиск и разработка двумерных материалов, которые могли бы сделать возможными такие устройства, были в значительной степени методом проб и ошибок.
Мы не знали, почему некоторые слоистые материалы «электрохимически расслаиваются» на нанолисты, в то время как другие полностью разрушаются. Электрохимическое расслоение использует электрический ток для внедрения ионов в слои объёмного материала, ослабляя силы, удерживающие их в форме, и заставляя материал формировать тонкие двумерные нанолисты.
«Поскольку не было средств для предсказания того, какие материалы будут вести себя подобным образом и производить нанолисты со свойствами, необходимыми для реализации различных приложений, лишь несколько двумерных материалов были обработаны для создания сетей печатных двумерных транзисторов», — говорит доктор Тянь Кэри, недавно назначенный доцент-исследователь Королевского общества — Research Ireland из Школы физики Тринити-колледжа в Дублине и AMBER, исследовательского центра Ирландии по передовым материалам и биоинженерным исследованиям.
«Здесь мы показали, что можем открыть десятки новых двумерных полупроводников. Мы уже изготовили современные печатные транзисторы с более чем 10 новыми материалами, впервые открыв новые схемы. К ним относятся печатные цифро-аналоговые преобразователи и коммуникационные схемы BASK, которые способны кодировать цифровые сообщения в высокочастотные сигналы — фундаментальные строительные блоки современных вычислений», — объясняет доктор Кэри.
Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Ключ, по-видимому, заключается в том, чтобы обеспечить, чтобы «жёсткость в плоскости» была выше, чем «жёсткость вне плоскости». Это показатель того, насколько материал устойчив к деформации под давлением с разных сторон (в плоскости — вдоль материала; вне плоскости — перпендикулярно).
Исследование, проведённое под руководством доктора Тяня Кэри в сотрудничестве с профессором Джонатаном Коулманом и коллегами, привело к созданию прогностической модели, определяющей пороговые значения жёсткости, необходимые для успешного расслоения различных материалов.
Используя эту модель, они создали нанолистовые чернила с высоким аспектным отношением и построили из них работающие транзисторы и схемы, включая первые печатные ЦАП и коммуникационные схемы.
Доктор Кэри добавил: «Очень интересно представить себе новую волну электронных инноваций, которые однажды в будущем можно будет производить как печатные газеты. Теоретически этот подход может привести к созданию обилия недорогой, гибкой и высокопроизводительной двумерной электроники».
«Из этой работы мы также поняли, что производительность каждого транзистора ограничена соединениями между полупроводниками, а не дефектами внутри самих полупроводников, что важно для направления наших будущих усилий. Учитывая это, нашим следующим шагом будет снижение влияния этих соединений «flake-to-flake», чтобы совершить следующий большой скачок в производительности», — говорит доктор Кэри.
Теперь доктор Кэри будет наращивать свою команду и возглавит проект по разработке печатной электроники с использованием двумерных (2D) материалов — в частности, полевых транзисторов (FET) и схем, которые составляют некоторые из фундаментальных строительных блоков современных вычислений.
Предоставлено Trinity College Dublin