劉菊艷/編譯

未來(lái)智能手表可由噴墨打印機(jī)生產(chǎn)

劉菊艷/編譯

柔性的“智能”衣料，如圖所示的樣本，可以由碳基電子產(chǎn)品用噴墨打印機(jī)制成

想象一下，從你的噴墨打印機(jī)可以得到最新款的智能手表或者一個(gè)高技術(shù)心臟病警示探測(cè)器。研究人員已經(jīng)在這一方向取得了進(jìn)展：通過(guò)打印低成本而可靠的晶體管陣列——當(dāng)代電子產(chǎn)品的核心部件——將他們用于執(zhí)行各種基礎(chǔ)計(jì)算任務(wù)。這一研究在將來(lái)某天可能會(huì)在有機(jī)柔性消費(fèi)性電子產(chǎn)品方面開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新紀(jì)元。

與一般的晶體硅相反的是，新的電路由有機(jī)碳基化合物構(gòu)成。已經(jīng)有人通過(guò)聯(lián)合使用噴墨式打印和其他沉積的方法打印出了有機(jī)電子元件，這種產(chǎn)品在整個(gè)過(guò)程中只用了一臺(tái)噴墨打印機(jī)。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的電氣工程師阿南斯·多達(dá)巴拉珀（Ananth Dodabalapur）說(shuō)：“我很難想象這種兩層結(jié)構(gòu)的器件只通過(guò)噴墨打印就能把所有事情都做好，這是一個(gè)挺不錯(cuò)的演示?！彼](méi)有參與此項(xiàng)研究工作。

相對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，新的商業(yè)電子設(shè)備必須精致、耐用、經(jīng)得起檢驗(yàn)。幾乎所有的大眾市場(chǎng)設(shè)備都依賴(lài)于晶體硅微芯片，生產(chǎn)者會(huì)在這種芯片上鑲嵌更小的晶體管——尤其是可以用于組成電腦邏輯電路的電子開(kāi)關(guān)。

但是硅芯片有一些劣勢(shì)。例如，由于硅片堅(jiān)硬，所以很難將硅基電路系統(tǒng)做成柔性產(chǎn)品。很多人認(rèn)為由有機(jī)材料制成的柔性耐用電子產(chǎn)品可以為電子產(chǎn)品開(kāi)創(chuàng)新的應(yīng)用。例如，柔性電子產(chǎn)品可以搜集重要的醫(yī)療數(shù)據(jù)，如動(dòng)脈硬化方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有助于預(yù)測(cè)心臟病和大腦的腦電活動(dòng)，可以揭示癲癇癥發(fā)作的癥狀。

為幫助實(shí)現(xiàn)這一潛能，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的電器工程師鄭崇俊與他的同事們決定研究一下他們能否簡(jiǎn)單地打印出有機(jī)晶體管的工作網(wǎng)絡(luò)。為盡可能多地加入晶體管，他們?cè)O(shè)計(jì)的晶體管可以一層一層往上疊加，而不是側(cè)放在芯片邊上，這樣之前只可以放一個(gè)晶體管的空間，現(xiàn)在可以有效地將兩個(gè)晶體管放置在其中。

他們有一次用一個(gè)噴墨打印機(jī)打印了3微米高的電路：將碳基化合物放置在底層，通過(guò)這些化合物，電流可以自由流進(jìn)或流出晶體管；然后，放置可以控制兩個(gè)晶體管電流的金屬電極；最后，化合物形成晶體管的載流部件。在各層晶體管之間，他們還存放了一層保護(hù)薄膜，這種材料被稱(chēng)為聚對(duì)二甲苯，一種新型熱塑性塑料。

這一器件包括了100多個(gè)晶體管，足夠形成可以完成幾項(xiàng)基本運(yùn)算（包括添加2個(gè)數(shù)字）的邏輯電路。

鄭崇俊的器件達(dá)到了一些重要基準(zhǔn)。生產(chǎn)8個(gè)月后所有晶體管都能很好工作，這對(duì)于壽命很短的有機(jī)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，是令人印象深刻的一大亮點(diǎn)。另外，據(jù)美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米期刊的研究報(bào)道，與特殊硅片加工中需要幾百度的溫度條件相比，有機(jī)電子產(chǎn)品在這一整個(gè)過(guò)程中，所需的溫度不高于120°C。

但是，打印的產(chǎn)品與硅電子產(chǎn)品相比還有較大的差距。這個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)?個(gè)晶體管放入1平方毫米，而當(dāng)今的計(jì)算機(jī)可以將數(shù)百萬(wàn)的集成電路芯片塞進(jìn)同樣的空間內(nèi)?！皬木w管的集成度來(lái)看，我們的技術(shù)還相當(dāng)于20世紀(jì)60年代末70年代初的硅技術(shù)水平，那時(shí)候微型處理器才剛剛出現(xiàn)?！编嵆缈≌f(shuō)道。

由于研究人員是為了演示概念而不是打印產(chǎn)品，鄭崇俊的團(tuán)隊(duì)在硬質(zhì)玻璃上打印出了電路。同時(shí)，他們也已經(jīng)在柔性塑料上打印出了類(lèi)似的元部件，并計(jì)劃很快公布結(jié)果。多達(dá)巴拉珀也提到，通過(guò)一些度量計(jì)算表明，這種新器件相對(duì)于一些已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的有機(jī)電路而言，尚屬落后。例如，團(tuán)隊(duì)用到的邏輯計(jì)算類(lèi)型，與其他方法相比，需要用到更多的晶體管，極大地抹去了元件緊密疊加所帶來(lái)的好處。晶體管的運(yùn)算速度也相對(duì)較慢和不連貫。此外，即使在生產(chǎn)過(guò)程中每一步都用到噴墨打印，但也沒(méi)有看到限制一個(gè)人使用打印或仿制技術(shù)的任何益處。

然而，帕洛阿爾托研究中心（PARC，加利福尼亞的帕洛阿爾托的一個(gè)研究機(jī)構(gòu)）的一位柔性電子產(chǎn)品專(zhuān)家亞諾什·維若斯（Janos Veres）認(rèn)為，隨著一種產(chǎn)品逐漸走向商業(yè)化，它的缺陷也可能慢慢會(huì)消失。這項(xiàng)研究呈現(xiàn)出了一種打印和保護(hù)有機(jī)電子元件的新方法，也想象了未來(lái)的傳感器將不僅包含兩層晶體管，而是很多，可能還會(huì)與硅芯片或者其他技術(shù)綜合應(yīng)用起來(lái)。對(duì)于這一成果而言，維若斯表示很受鼓舞，他說(shuō)：“最終我們一定會(huì)看到打印的微芯片?！?/p>

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：絲 絲]