Transistor stampati su carta o film di PET? La Svizzera c’è quasi...

Nel progetto FOXIP, in Svizzera i ricercatori dell’EMPA, dell’EPFL e dell’Istituto Paul Scherrer hanno cercato di stampare transistor a film sottile con ossidi metallici su materiali sensibili al calore, come sono la carta o il PET.
L’obiettivo non è stato raggiunto, ma i soggetti coinvolti considerano il progetto un successo, grazie a un nuovo inchiostro di stampa e a un transistor con “effetto memoria”.

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Alla ricerca di nuove soluzioni tecniche per la “Internet delle Cose”

L’asticella era indubbiamente alta: nel progetto di ricerca svizzero Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP) l’obiettivo era riuscire a staampare transistor a film sottile su substrati di carta o film di polietilentereftalato (PET).
I circuiti elettronici con tali elementi svolgono un ruolo importante nel crescente “Internet delle Cose” (IoT), ad esempio come sensori su documenti, bottiglie e imballaggi, un mercato globale che vale miliardi.
Se fosse possibile produrre tali transistor con ossidi metallici inorganici, si aprirebbe una pletora di nuove possibilità.
“Rispetto ai materiali organici, come il polimero semiconduttore politiofene”, spiega il responsabile del progetto Yaroslav Romanyuk del Laboratory for Thin Films and Photovoltaics dell’EMPA, “gli elettroni di questi materiali sono molto più mobili. Potrebbero quindi aumentare significativamente le prestazioni di questi elementi e non avrebbero bisogno di essere protetti dall’aria e dall’umidità con un incapsulamento costoso”.

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La sfida del calore: come attuare l’essiccazione e la sinterizzazione?

C’è un problema degli inchiostri contenenti ossidi metallici: per formare un transistor stabile, i materiali devono essere sinterizzati dopo la stampa, in genere in un forno.
In alternativa, l’essiccazione e la sinterizzazione possono essere effettuate con la luce, ad esempio con radiazioni ultraviolette a basse onde o con una lampada allo xeno.
Lo strato stampato viene riscaldato con lampi di luce molto brevi per proteggere il substrato. L’acqua, i solventi e i leganti abbandonano il materiale durante il processo.
Tuttavia, questi processi riscaldano il substrato fino a 200 gradi: una temperatura troppo elevata per la carta o il PET, che inizia a perdere la propria resistenza già a temperature intorno agli 80 gradi, mentre altre plastiche come i poliimmidi resistono a temperature molto più elevate.

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L’inizio fu con la “Strategic Focus Area – Advanced Manufacturing”

Dal 2017 al 2021, nell’ambito di un progetto della “Strategic Focus Area – Advanced Manufacturing” (SFA-AM) avviato dal Consiglio dei Politecnici Federali, gli esperti del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali, del Soft Transducers Laboratory del Politecnico Federale di Losanna e del Polymer Nanotechnology Group del Paul Scherrer Institute (PSI) hanno lavorato insieme su ogni fase del processo: ad esempio, i rivestimenti per lisciare la superficie della carta, la formula degli inchiostri, l’irraggiamento e via dicendo, e hanno fatto parecchi progressi.
Ma il loro “desiderio ultimo”, come dice Romanyuk, di stampare transistor funzionali a film sottile su carta non si è avverato.
Le temperature di processo erano ancora troppo elevate, e il materiale troppo ruvido. I transistor stampati su pellicole polimeriche alla fine avevano una resa elettrica troppo bassa.
Bisogna sempre aspettarsi l’inaspettato…

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Nessuna delusione dei ricercatori proprio in virtù di alcune scoperte

Se si domanda a Jakob Heier del Laboratorio Polimeri Funzionali dell’EMPA se si sente deluso, la risposta è negativa: “Il progetto non è stato affatto un fallimento”, insorge.
E non soltanto per le nuove conoscenze sui dettagli tecnici, ma anche per gli inaspettati “risultati collaterali”.
“Si è trattato di un progetto molto eccitant, e con molte sorprese”, afferma Heier, ricordando un incidente che avrebbe avuto delle conseguenze, che riguardava il materiale grafene: carbonio conduttivo in strati sottili come un atomo, adatto anche per transistor stampati su pellicole flessibili.
Un dottorando del team non si accontentava del fatto che gli inchiostri al grafene non potessero essere stampati a concentrazioni più elevate.
Le particelle si aggregano, si raggruppano, e un film sottile non può formarsi in questo modo.
Invece di utilizzare un solo solvente, il collaboratore ha provato una speciale emulsione di grafene e tre solventi. Ma anche questo rivestimento è fallito al primo tentativo.
Quando l’inchiostro è stato mescolato in modo uniforme nel tentativo successivo e poi sottoposto a leggere forze di taglio, tuttavia, la stampa è riuscita.

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Inchiostri simili a gel per l’effetto di taglio sulle forze di Van der Waals

Incuriositi, gli esperti hanno studiato il fenomeno e hanno scoperto che le forze di taglio modificano radicalmente la struttura dell’inchiostro.
Le sottili scaglie di grafene nel liquido si riformano, così che ora entrano in gioco le forze di Van der Waals: forze attrattive relativamente deboli tra atomi o molecole.
Il risultato è un inchiostro simile a un gel, senza leganti come i polimeri, che altrimenti assicurano che il liquido mantenga la propria consistenza e non si separi.

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Una scrittura a freddo con altre sostanze bidimensionali per la stampa?

È una soluzione con vantaggi pratici che funziona anche a temperatura ambiente; l’inchiostro si asciuga senza riscaldamento.
Come si è scoperto, questi inchiostri di van der Waals possono essere prodotti non soltanto con il grafene, ma anche con altre sostanze bidimensionali per la stampa.
Nel frattempo, il processo è stato brevettato e alcune aziende, secondo gli esperti, stanno già mostrando interesse a produrre gli ambiti inchiostri: tutto questo dopo una pura coincidenza, che il team di lavoro ha seguito con sana curiosità.
Non è l’unica sorpresa del progetto FOXIP, come racconta Yaroslav Romanyuk.

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Singolare (e inutile?) transistor capace di “ricordare” i segnali in entrata

Un transistor a effetto campo con uno strato isolante di ossido di alluminio, stampato su un materiale plastico polimidico resistente al calore, ha rivelato un comportamento piuttosto particolare.
Invece di un segnale costante, come ci si sarebbe aspettato, mostrava onde crescenti: il segnale in uscita diventava più forte perché “ricordava” i precedenti segnali in entrata.
“Mostrare un tale effetto ‘memoria’ è in realtà indesiderabile per un transistor”, spiega Romanyuk.
Ma un altro studente del team ha avuto l’idea di utilizzare il fenomeno in modo diverso.
Un transistor con questo effetto memoria funziona in modo simile ai circuiti del cervello umano. Le sinapsi tra le cellule nervose non solo trasmettono segnali, ma li memorizzano anche.
Per i computer che imitano il cervello umano, un transistor sinaptico di questo tipo potrebbe quindi essere molto interessante. Ma che cosa potrebbe fare?

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Fino a 50mila Hz col rondò “Alla Turca” dalla Sonata numero 11 di Mozart

Per esplorarne il potenziale, l’équipe congiunta di ricercatori di EMPA, EPFL e PSI ha costruito una copia elettronica del processo uditivo umano, insieme al transistor a film sottile, e l’ha alimentato con una popolare melodia di Wolfgang Amadeus Mozart: il rondò “Alla Turca” dalla Sonata numero 11 in La Maggiore.
“Doveva essere un pezzo vivace”, dice Romanyuk con un sorriso.
Questo esperimento e ulteriori analisi hanno dimostrato che la funzione sinaptica del transistor è preservata da pochi Hertz a quasi 50.000 Hertz, cioè una larghezza di banda molto più elevata rispetto a transistor stampati simili.
Naturalmente, non sono ancora in vista applicazioni concrete per questa ricerca fondamentale, che il team ha pubblicato sulla rivista online “Scientific Reports”, a differenza della stampa di inchiostri senza leganti.
Ma sulla strada delle nuove tecnologie informatiche, questa intuizione può essere un passo utile che è arrivato a sorpresa, come spesso accade nella storia della scienza.
Queste coincidenze sono la ciliegina sulla torta, se vogliamo dire così, per Yaroslav Romanyuk e molti altri ricercatori, soprattutto nei progetti alla frontiera del fattibile.
“Abbiamo deliberatamente fissato i nostri obiettivi molto in alto”, dice.
“Le coincidenze giocano un ruolo molto importante in questo! Ci si pone una grande sfida e poi, improvvisamente e inaspettatamente, queste coincidenze accadono…”.

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