美高校研發納米晶體油墨，3D列印晶體管或將成真 最新技術

眾所周知，晶體管是電子產品中最基本的構建單元，它主要用於生成能夠放大、開關、穩壓和信號調製的電路。然而，晶體管的製造卻是一個高度複雜的過程，需要高溫、高真空的設備。

如今，美國賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的工程師們在該校工程和應用科學學院 Cherie Kagan教授的帶領下已經找到了一種製造這種設備的新方法：以一種液體納米晶體「墨水」的形式順序沉積其部件。

他們的這一最新研究成果已經被發表在了《Science》雜誌上。有評論認為這一技術為將電器元件內置到柔性或者可穿戴應用中打開了大門，此外，這一技術要求的溫度很低，而且能夠兼容各種各樣的材料。因此可以預見其應用範圍將會相當廣闊。

據了解，研究者基於納米晶體的場效應晶體管是使用旋塗技術繪製柔性塑料背襯上的。不過這一過程最終可能通過增材製造系統，比如3D印表機來完成。

研究人員一開始需要將晶體管所需要的納米晶體，或者說球形的納米尺寸顆粒分散在液體中，製造出納米晶體油墨。據悉，Kagan的團隊總共開發出了一組四種油墨，分別是：一種導體（銀）、一種絕緣體（氧化鋁）、一種半導體 （硒化鎘），以及一種結合了摻雜劑的導體（銀和銦的混合物）。科學家們可以通過向晶體管的半導體層摻雜雜質來控制裝置傳送正或負的電荷。

「這些材料是膠體，就像噴墨印表機中的墨水。」Kagan說：「但是你可以獲得想要的任何屬性，比如導體、半導體或絕緣體等，而我們的問題是如何將其安置在表面上，形成功能晶體管。」

這些納米油墨的導電性能已經被分別證實，但是它們之前還從沒有被組合在一起形成完整的裝置。「這是第一次此類的研究。」該研究團隊的成員之一，韓國地質礦產研究所得高級研究院Choi說：「結果顯示，晶體管的所有組件，包括金屬層、絕熱層、保溫層、半導體層，甚至摻雜半導體都可以由納米晶體製成。」

但是要實現它們就需要在一種精細的圖案結構里將其分層或者混合。

首先，銀納米晶體顆粒通過液體沉積在使用了光刻掩模的柔性塑料表面，然後迅速旋轉將其繪在了一個平層上。該掩模隨後被拿走，留下了被製成晶體管柵電極形狀的銀油墨。研究人員接著在上面再旋塗一層基於氧化鋁納米晶體的絕緣體油墨，之後再覆蓋一層基於硒化鎘晶體顆粒的半導體層，最後再用掩模覆上銦/銀混合物，由其製成晶體管的源極和漏極。然後再在相對較低的溫度下加熱，該銦摻雜會從這些電極擴散到半導體部件里。

「使用基於溶液的材料進行操作的要點在於，當您添加第二層時，要確保第一層不被沖走。」Kagan說。「我們不得不對納米晶體進行表面處理，無論是一開始它們在溶液里的時候還是沉積之後，這主要是為了保證它們擁有正確的電屬性以及能夠按照我們希望的方式粘在一起。」

由於該基於油墨的製造工藝是在較低的溫度下（與當下基於真空的方法相比）完成的，因此研究人員們能夠在同一個柔性塑料背襯上同時做出幾個晶體管。

「在更大面積、更低溫度條件下製作晶體管一直是很多新興技術追求的目標，比如物聯網、大面積柔性電子和可穿戴設備等。」Kagan說：「我們還沒有完成所有必要環節的開發，所以它們目前還不能列印。但是由於這些材料都是基於溶液狀態的，因此理論上說，它們完全可以通過增材製造來生成晶體管。」

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