Un team dell'Università della Pennsylvania ha fatto una nuova scoperta che potrebbe portare alla realizzazione di elettronica flessibile ad alte prestazioni e con costi di produzione accettabili. I ricercatori hanno mostrato che particelle in nanoscala, o nanocristalli, di seleniuro di cadmio si possono stampare o adagiare su plastica flessibile per realizzare elettronica ad alte prestazioni.
Lo studio è stato guidato da David Kim, dottorando del Dipartimento di scienze dei materiali e ingegneria, insieme agli studenti Yuming Lai, Benjamin Diroll e ai professori Cherie Kagan e Christopher Murray. "Abbiamo svolto un test prestazionale sul silicio amorfo, un materiale che compone lo schermo dei portatili, tra gli altri dispositivi", ha dichiarato Kagan, "ma questi dispositivi nanocristallini di seleniuro di cadmio possono spostare elettroni 22 volte più rapidamente del silicio amorfo".
Oltre alla velocità, i nanocristalli al seleniuro di cadmio hanno il vantaggio della temperatura alla quale si possono depositare. Laddove per il silicio amorfo usa un processo che richiede diverse centinaia di gradi, i nanocristalli di seleniuro di cadmio possono essere depositati a temperatura ambiente e trattati (annealing, ricottura) a temperature minori, permettendo così di usare materiali plastici più flessibili.
Circuito flessibile realizzato dal team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania
Un'altra innovazione riguarda l'uso di leganti, cioè catene chimiche che si estendono dalle superfici dei nanocristalli facilitando la conducibilità. "Ci sono stati un sacco di studi sul trasporto degli elettroni sul seleniuro di cadmio, ma fino a poco tempo fa non eravamo riusciti a ottenere buone prestazioni", ha dichiarato David Kim. "L'aspetto nuovo della nostra ricerca è che abbiamo usato leganti che possiamo usare facilmente sulla plastica flessibile", mentre altri la danneggiano.
Dato che i nanocristalli sono dispersi in un liquido simile all'inchiostro, si possono usare diversi tipi di tecniche di deposizione per realizzare circuiti. I ricercatori ad esempio si sono avvalsi della "spincoating", in cui la forza centrifuga spinge uno strato sottile della soluzione sulla superficie. I nanocristalli potrebbero tuttavia essere applicati mediante immersione, spruzzatura o getto di inchiostro.
Nell'esperimento svolto dai ricercatori uno strato di elettrodi è stato modellato su un foglio di plastica flessibile attraverso una maschera forata - essenzialmente una matrice - in modo da stabilire un livello del circuito. I ricercatori hanno poi usato la matrice per definire piccole regioni conduttive di oro, utili per stabilire i collegamenti elettrici con i livelli superiori che formano il circuito. Successivamente hanno introdotto uno strato isolante, composto da ossido di alluminio, mentre uno strato di nanocristalli della dimensione di 30 nanometri è stato coperto dalla soluzione. Infine, hanno depositato gli elettrodi sul livello più alto tramite maschere d'ombra in modo da formare i circuiti.
"I circuiti più complessi sono come palazzi con diversi piani. L'oro è simile alle scale, ed è usato dagli elettroni per viaggiare tra i piani", ha dichiarato il professor Kagan. Usando questo processo, i ricercatori hanno realizzato tre tipi di circuiti per testare le prestazioni dei nanocristalli in applicazioni concrete: un inverter, un amplificatore e un oscillatore ad anello.
"L'inverter è un blocco fondamentale per circuiti più complessi", ha dichiarato Lai. "Possiamo anche mostrare amplificatori, che aumentano l'ampiezza del segnale nei circuiti analogici e oscillatori ad anello dove i segnali on e off sono propagati correttamente su più stadi nei circuiti digitali. Tutti questi circuiti operano con un paio di volt", ha dichiarato Kagan.
Con la combinazione di flessibilità, processi produttivi relativamente semplici e requisiti energetici ridotti, questi circuiti nanocristallini al seleniuro di cadmio potrebbero gettare le fondamenta per nuovi tipi di dispositivi e sensori, che potrebbero avere applicazioni biomedicali o di sicurezza. "Questa ricerca apre alla possibilità di usare altri tipi di nanocristalli, poiché abbiamo mostrato che l'aspetto dei materiali non è più una limitazione", ha dichiarato Kim.