Dentro del proyecto Óxidos funcionales impresos en polímeros y papel (FOXIP), investigadores de Empa, EPFL y el Instituto Paul Scherrer intentaron imprimir transistores de película delgada con óxidos metálicos en materiales sensibles al calor como papel o PET. El objetivo finalmente no se logró, pero los involucrados consideran que el proyecto fue un éxito, debido a una nueva tinta de impresión y un transistor con "efecto memoria".

Sin duda, el listón estaba muy alto:el objetivo era tener éxito en la impresión de transistores de película delgada sobre sustratos de papel o películas de PET. Los circuitos electrónicos con tales elementos juegan un papel importante en el creciente Internet de las cosas (IoT), por ejemplo, como sensores en documentos, botellas, empaques, un mercado global que vale miles de millones.

Si fuera factible fabricar tales transistores con óxidos de metales inorgánicos, esto abriría una plétora de nuevas posibilidades. En comparación con materiales orgánicos como el polímero semiconductor politiofeno, explica el líder del proyecto Yaroslav Romanyuk del Laboratorio de Películas Delgadas y Fotovoltaica de Empa, los electrones en estos materiales son mucho más móviles. Por lo tanto, podrían aumentar significativamente el rendimiento de dichos elementos y no sería necesario protegerlos contra el aire y la humedad con un encapsulado costoso.

El calor como reto

Existe un problema con las tintas que contienen óxidos metálicos:para formar un transistor estable, los materiales deben sinterizarse después de la impresión, normalmente en un horno. Alternativamente, el secado y la sinterización se pueden realizar con luz, por ejemplo, con radiación ultravioleta de onda baja o una lámpara de xenón. La capa impresa se calienta con destellos de luz muy cortos para proteger el sustrato. El agua, los disolventes y los aglutinantes dejan el material en el proceso.

Sin embargo, estos procesos calientan el sustrato hasta 200 grados, demasiado para el papel o el PET, que comienza a perder su resistencia a temperaturas de alrededor de 80 grados, mientras que otros plásticos, como las poliimidas, pueden soportar temperaturas mucho más altas.

De 2017 a 2021, en un proyecto del "Área de enfoque estratégico:fabricación avanzada" (SFA-AM) iniciado por la Junta de ETH, expertos de Empa, el Laboratorio de transductores blandos de EPFL y el Grupo de nanotecnología de polímeros en el Instituto Paul Scherrer (PSI) trabajaron juntos en cada paso del proceso, por ejemplo, recubrimientos para suavizar la superficie del papel, formulaciones de tinta, irradiación, etc., y lograron un gran progreso.

Pero su "último deseo", como dice Romanyuk, de imprimir transistores funcionales de película delgada en papel, no se hizo realidad. Las temperaturas del proceso todavía eran demasiado altas, el material demasiado áspero. Y los transistores impresos en películas de polímero finalmente tenían una salida eléctrica demasiado baja.

Espere lo inesperado

¿Decepcionado? No, dice Jakob Heier del laboratorio de Polímeros Funcionales de Empa. "El proyecto de ninguna manera fue un fracaso". No solo por los nuevos conocimientos sobre los detalles técnicos, sino también por los "resultados secundarios" inesperados.

"Este fue un proyecto muy emocionante con muchas sorpresas", dice Heier, recordando un incidente que iba a tener consecuencias. Involucró el material grafeno, carbón conductor en capas delgadas como un átomo que también es muy adecuado para transistores impresos en películas flexibles.

Un estudiante de doctorado en el equipo no estaría satisfecho de que las tintas de grafeno no pudieran imprimirse en concentraciones más altas. Las partículas se agregan, se agrupan y no se puede formar una película delgada de esa manera. En lugar de usar un solo solvente, el investigador probó una emulsión especial de grafeno y tres solventes. Pero este recubrimiento también fracasó en el primer intento. Sin embargo, cuando la tinta se mezcló uniformemente en el siguiente intento y luego se sometió a fuerzas de cizallamiento ligeras, la impresión tuvo éxito.

Curioso, los expertos investigaron el fenómeno y encontraron que las fuerzas de corte cambian fundamentalmente la estructura de la tinta. Las finas escamas de grafeno en la reforma líquida, para que las fuerzas de van der Waals puedan tener efecto. Estas son fuerzas de atracción relativamente débiles entre átomos o moléculas. El resultado fue una tinta similar a un gel, sin aglutinantes como los polímeros, que de otro modo aseguran que el líquido conserve su consistencia y no se segregue.

Un proceso con potencial de mercado

Los investigadores se dieron cuenta de una solución con beneficios prácticos que también funciona a temperatura ambiente:la tinta se seca sin calentar. Al final resultó que, tales tintas de van der Waals se pueden producir no solo con grafeno, sino también con otras sustancias bidimensionales para la impresión. Mientras tanto, el proceso ha sido patentado y algunas empresas, según los expertos, ya están mostrando interés en producir las codiciadas tintas, todo esto después de una coincidencia que el equipo había investigado con sana curiosidad.

No fue la única sorpresa en el proyecto FOXIP, como cuenta Yaroslav Romanyuk. Un transistor de efecto de campo con una capa aislante de óxido de aluminio, impresa en un plástico de poliimida resistente al calor, reveló un comportamiento bastante peculiar. En lugar de una señal constante, como era de esperar, mostró ondas ascendentes. La señal de salida se volvió más fuerte porque "recordó" las señales entrantes anteriores.

"Mostrar tal efecto de 'memoria' es realmente indeseable para un transistor", explica Romanyuk.

Pero otro estudiante del equipo tuvo una idea para usar el fenómeno de una manera diferente. Un transistor con tal efecto de memoria funciona de manera similar a los circuitos del cerebro humano. Las sinapsis entre las células nerviosas no solo transmiten señales, sino que también las almacenan. Para las computadoras que imitan el cerebro humano, un transistor sináptico de este tipo podría ser muy interesante. Pero, ¿qué podría hacer?

Con el apoyo de Mozart

Para explorar su potencial, el equipo construyó una copia electrónica del proceso auditivo humano junto con el transistor de película delgada y le dio una melodía popular de Mozart:Rondo "Alla Turca" de la Sonata No. 11 en La mayor.

"Tenía que ser una pieza animada", dice Romanyuk con una sonrisa. Este experimento y análisis posteriores demostraron que la función sináptica del transistor se conserva desde unos pocos hercios hasta casi 50 000 hercios, un ancho de banda mucho más alto que los transistores impresos comparables.

Por supuesto, aún no se vislumbran aplicaciones concretas para esta investigación fundamental, que el equipo publicó en la revista en línea Scientific Reports. —a diferencia de las tintas de imprenta sin aglutinantes. Pero en el camino hacia las nuevas tecnologías informáticas, los conocimientos pueden ser un paso útil que fue una sorpresa, como ha ocurrido a menudo en la historia de la ciencia.

Tales coincidencias son la guinda del pastel para Romanyuk y muchos otros investigadores, especialmente en proyectos en la frontera de lo factible.

"Deliberadamente fijamos nuestras metas muy altas", dice. "Las coincidencias juegan un papel muy importante en esto. Te planteas un gran desafío y luego, de repente e inesperadamente, estas coincidencias simplemente suceden". + Explora más

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