重磅：科學家利用二維納米材料噴墨列印晶體管！

導讀

愛爾蘭科研人員最近利用二維納米材料，首次製造出了「印刷而成的晶體管」，這種低成本、可量產的技術，可列印例如太陽能電池、LED等電子設備，應用於智能食品、藥物標籤、下一代紙幣、電子護照等產品。

背景知識

首先，讓我們將目光聚焦到兩個重要的前沿科技創新領域：「二維材料和印刷電子」。

這兩個領域目前是在國際上很熱門，與今天要介紹的創新成果關係很大，也是我之前一直關注的領域，多篇文章都和這個領域相關。

今天，我暫時不對這兩個領域做過分深入的介紹和挖掘，簡單看一下這兩個科技領域的基本概念。

• 二維材料

「二維材料」是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。

二維材料例如石墨烯，在電氣、光學、熱學特性方面都有十分優異的特性，廣泛應用於包括電子在內的各個領域，我之前多次介紹過石墨烯相關的各種應用。

• 印刷電子

印刷電子，是使用特殊材料製成的「油墨」，通常是具有導電、介電或半導體性質的材料，通過噴墨列印的方法，製造電子元器件、電路、甚至晶體管。

對此，之前我介紹過多款相關產品，例如：可檢測疾病的晶元實驗室，新型柔性憶阻器，通過噴墨列印超低成本製造的柔性電路等等。

創新簡介

今天要介紹的創新研究成果來自 AMBER，它是由愛爾蘭科學基金會贊助的材料科學研究中心，位於都柏林大學聖三一學院。

AMBER 的科研人員第一次製造出了一種「印刷而成的晶體管」，完全由二維納米材料組成。這些二維材料不僅具有優異的電子屬性，而且還可以低成本量產。

研究團隊

AMBER 團隊的研究已經於今天發表於頂尖的《科學》雜誌上。AMBER的研究員、三一學院物理系的教授 Jonathan Coleman 是這項研究的主要負責人。另外，科研團隊還包括了Georg
Duesberg 教授（AMBER）、Laurens Siebbeles 教授（荷蘭代爾夫特理工大學）。

同時，Coleman 教授也是石墨烯旗艦項目的合作夥伴之一。石墨烯旗艦項目是由歐盟發起，以十億歐元的資金，推進未來10年的新技術和創新。

關鍵技術

（圖片來源於：都柏林大學聖三一學院）

Coleman 教授稱，二維納米材料，能與目前印刷電子設備使用的材料進行競爭。相比於這個領域使用的其它材料來說，二維納米材料能夠生產出更划算、更高性能的印刷電子設備。然而，過去十年以來，二維材料已經廣泛應用於一些列的電子設備，但是這是它首次在印刷電子領域的顯現價值。

這項研究的發表十分重要，因為它展示了可作為導體、半導體和絕緣體的二維材料，能在複雜設備中結合到一起。晶體管作為電子開關來說，是現代計算機的心臟，所以晶體管的研究至關重要。

團隊使用標準的印刷技術，將石墨烯納米片作為電極，而其它兩種納米材料：二硒化鎢（tungsten
diselenide）以及氮化硼（boron nitride），分別作為晶體管的兩個重要部件：溝道（channel）和絕緣層（separator），從而形成全印刷、全納米片的晶體管。這些納米片是扁平的納米顆粒，只有幾個納米的厚度，然而卻有幾百納米的寬度。

創新價值

（圖片來源於：都柏林大學聖三一學院）

過去30多年，可印刷的電子設備的開發主要基於可印刷的碳基分子。這些分子能夠很容易轉化為印刷油墨，但是這些材料有點不穩定，而且具有眾所周知的性能限制。

所以，業界做了很多努力超越這些障礙，例如使用碳納米管或者無機納米粒子，但是這些材料在性能或者可製造性方面，還是受到一些限制。

雖然目前可印刷的二維電子器件，性能還無法和先進的晶體管相比較，但是團隊相信有一些列辦法，可以進一步提升可印刷晶體管的性能。

重要地是，由不同材料製成的納米片具有一些列的電氣性能，例如導體、絕緣、半導體，它們包含於電子器件的所有組件中。液體處理工藝具有特別優勢，它能夠生產出大量的高質量二維材料，並且很容易轉化為油墨。

Coleman
教授提供了一種以極低成本列印電路的方案，從而帶來一些列的應用，從動畫海報到智能標籤。

技術授權

Coleman教授的可擴展方案，能以液體的形式列印二維材料，這些材料包括：石墨烯、氮化硼、二硒化鎢納米片，它已經將這項技術授權給了「三星和托馬仕雯」。

應用前景

（圖片來源於：都柏林大學聖三一學院）

這項研究將開啟一些列的潛在應用，例如用於食品包裝，顯示數字倒計時，警示你食品何時變質；或者用於酒類標籤，提示你白酒是否在它最適宜的溫度下；甚至用於窗格玻璃，顯示當天的天氣預報。

未來，它將在信息通信技術和製藥等工業領域大顯身手，能大量廉價地列印例如太陽能電池、LED等電子設備，應用於智能食品和藥物標籤，下一代紙幣、電子護照等產品。

Coleman 教授認為：

「未來，印刷電子設備將應用於那些甚至是最普通的物體，例如標籤、海報和包裝。印刷電子電路（由我們已經設計的設備基礎上構造的），將使得消費品可以採集、處理、顯示和傳輸信息：例如，牛奶紙盒可以將信息發送到你的手機，來提示牛奶是否將要過期。」

參考資料

【1】http://www.tcd.ie/news_events/articles/scientists-make-major-breakthrough-in-smart-printed-electronics/7733

【2】http://dx.doi.org/10.1126/science.aal4062

諮詢交流

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫我的微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。