Tweedimensionale transistoren geprint

De onderzoekers van Trinity College, uit de groepen van hoogleraren Jonathan Coleman en Georg Duesberg, hebben standaard printtechnieken gebruikt om nanosheets van grafeen als elektroden te combineren met twee andere nanomaterialen – wolfraam-diselenide en boornitride – als kanaal en separator (twee belangrijke onderdelen van een transistor), met als resultaat een geheel geprinte, uit nanosheets bestaande, functionerende transistor.

"Dit is een belangrijke publicatie, omdat hieruit blijkt dat geleidende, halfgeleidende en isolerende 2D-nanomaterialen in een complex apparaat met elkaar kunnen worden gecombineerd", aldus Coleman. "Wij vonden het van essentieel belang om ons te richten op het printen van transistoren, aangezien zij de elektrische schakelingen vormen waarop moderne computers zijn gebaseerd." 

Coleman is een partner van Graphene flagship, een EU-initiatief van 1 miljard euro dat bedoeld is om de komende 10 jaar nieuwe technologieën en innovatie te stimuleren. 

Testen zonder aanraken

Er zijn al eerder tweedimensionale transistoren geproduceerd, bijvoorbeeld door middel van chemische afzetting uit de dampfase. Hoewel componenten die op deze manier worden geproduceerd goed functioneren, brengen deze methodes hoge kosten met zich mee. Geprinte elektronica werd daarentegen tot nu toe voornamelijk gemaakt van printbare moleculen op basis van koolstof. Van zulke moleculen kan goedkoop en gemakkelijk printbare inkt worden gemaakt, maar de resulterende materialen zijn enigszins onstabiel. Bovendien is het bekend dat ze wat prestaties betreft beperkingen hebben.

In samenwerking met dr. Sachin Kinge van Toyota heeft dr. Jannika Lauth van de groep van Laurens Siebbeles aan de TU Delft de elektrische transporteigenschappen van de transistoren getest. Daaruit bleek dat ze het beste van twee werelden bieden. "Met behulp van terahertz-spectroscopie konden we het geleidingsvermogen van de halfgeleidermaterialen meten", vertelt Lauth. "Terahertz-straling is een speciale vorm van licht waarvan de energie tussen die van microgolven en infraroodcamera’s ligt. Het stelde ons in staat om de samples te testen zonder ze aan te raken."

Op weg naar één enkele nanosheet

Het materiaal waarvan de geprinte elektronica van het team is gemaakt, bestaat uit een groot aantal nanosheets van uiteenlopend formaat (ook wel ‘flakes’ genoemd). Tijdens het printproces komen deze willekeurig op elkaar te liggen, net als mikadostokjes. Lauth ontdekte dat, hoewel de geleiding tussen de flakes niet optimaal is, de geleiding binnen de nanosheets goed is.

Een veelbelovende volgende stap is om 2D-structuren te printen die uit één enkele nanosheet bestaan, waardoor de prestaties van de geprinte elektronica drastisch zullen verbeteren. Dit kan worden bereikt door de nanosheets vanaf nul op te bouwen met behulp van zogenoemde uitgangsstoffen. Deze methode, waarmee ook inkten kunnen worden gemaakt, wordt door Lauth onderzocht aan de TU Delft.

*All-printed thin-film transistors from networks of liquid-exfoliated nanosheets, Science, 7 april 2017