samedi 16 octobre 2021
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Des circuits flexibles à basse tension fabriqués avec des nanocristaux Spécial

Les circuits électroniques sont généralement intégrés dans des plaquettes de silicium rigides, mais pouvoir les rendre flexibles ouvre un large éventail d'applications. Dans un monde où l'électronique est de plus en plus répandue, la flexibilité est une caractéristique hautement souhaitable, mais trouver des matériaux avec la bonne combinaison de performance et de coût de fabrication reste un défi.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie a montré que les particules nanométriques, ou nanocristaux, du séléniure de cadmium semi-conducteur peut être «imprimé» ou «couché» sur les plastiques flexibles pour former des circuits électroniques à haute performance.
La recherche a été dirigée par David Kim, un étudiant au doctorat au Département de science des matériaux et ingénierie à l'École Penn d'ingénierie et des sciences appliquées; Yuming Lai, un étudiant au doctorat au Département de l'Ecole d'ingénieurs de génie électrique et des systèmes, et le Professeur Cherie Kagan, qui a été nommé professeur dans les deux départements ainsi que dans l'École des Arts et des Sciences, Département de chimie. Benjamin Diroll, étudiant au doctorat en chimie, et le Professeur Christopher Murray de la science des matériaux et de la chimie à Penn a également collaboré dans la recherche.
Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.
«Nous avons une norme de performance dans le silicium amorphe, c'est la matière qui fait l'écran de votre ordinateur portable, et autres instruments", a dit Kagan. «Ici, nous montrons que ces dispositifs à nanocristaux de séléniure de cadmium peuvent faire passer les électrons à une vitesse 22 fois plus rapide que dans le silicium amorphe."
Outre que la vitesse, un autre avantage des nanocristaux de séléniure de cadmium en comparaison au silicium amorphe est la température à laquelle ils sont déposés. Tandis que le silicium amorphe utilise un procédé qui fonctionne à plusieurs centaines de degrés, les nanocristaux de séléniure du cadmium peuvent être déposés à la température ambiante et recuit à des températures modérées, ouvrant la possibilité d'utiliser des supports plus souples en plastique.
Une autre innovation qui a permis aux chercheurs d'utiliser du plastique souple a été leur choix des ligands, les chaînes chimiques qui s'étendent de la surface des nanocristaux et facilitent la conductivité car ils sont emballés ensemble dans un film.
«Il ya eu beaucoup d'études sur le transport d'électrons dans le séléniure de cadmium, mais jusqu'à récemment, nous n'avons pas pu en obtenir une bonne performance", a déclaré Kim. «Le nouvel aspect de notre recherche est que nous avons utilisé les ligands que l'on peut translater très facilement sur le plastique souple, d'autres ligands sont tellement caustique que le plastique fond."
Parce que les nanocristaux sont dispersées dans une encre en forme de liquides, de multiples types de techniques de dépôt peuvent être utilisés pour réaliser des circuits. Dans leur étude, les chercheurs ont utilisés une technique appelée "spincoating", où la force centrifuge entraîne une mince couche de la solution sur une surface, mais les nanocristaux peuvent être appliquées par trempage, pulvérisation ainsi par jet d'encre .
Pour délimiter un niveau du circuit, on modèle une feuille de plastique souple d'une couche inférieure d'électrodes en utilisant un masque d'ombre - essentiellement un pochoir. Les chercheurs ont ensuite utilisé le pochoir pour définir des petites régions d'or conducteur pour faire les connexions électriques vers les niveaux supérieurs qui forment le circuit. Une couche isolante d'oxyde d'aluminium a été introduit et une couche de 30 nanomètres de nanocristaux a été réalisée comme revêtement de la solution. Enfin, les électrodes au niveau supérieur ont été déposés par des masques d'ombre pour former le circuit final.
"Plus les circuits sont complexes comme les bâtiments avec plusieurs étages», dit Kagan. "L'or agit comme des escaliers que les électrons peuvent utiliser pour voyager entre les étages."

En utilisant ce processus, les chercheurs ont construit trois types de circuits pour tester les performances des nanocristaux - pour leurs applications dans les circuits réels: un onduleur, un amplificateur et un oscillateur en anneau.
"Un onduleur est l'élément fondamental pour les circuits les plus complexes», a dit Lai. "On peut aussi montrer des amplificateurs qui amplifient l'amplitude du signal dans les circuits analogiques et des oscillateurs en anneau, où les signaux 'on' et 'off' se propagent correctement sur plusieurs étapes dans les circuits numériques."
«Et tous ces circuits fonctionnent avec quelques volts," a dit Kagan. «Si vous voulez une électronique destinée aux appareils portables fonctionnant avec des piles, elle doit fonctionner à basse tension ou elle ne sera pas utile."
Avec la combinaison de la flexibilité, des procédés de fabrication relativement simples et les exigences de faible puissance, ces circuits à base des nanocristaux du séléniure de cadmium pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types d'appareils et de capteurs omniprésents, ce qui pourrait avoir des applications dans la biomédecine ou la sécurité.
«Cette recherche ouvre également la possibilité d'utiliser d'autres types de nanocristaux, comme nous l'avons montré l'aspect matériel n'est plus une limitation», dit Kim.
La recherche a été financée par le ministère américain de l'Energie et la National Science Foundation.

Said Lahlal

medvbenimellal

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