Onderzoekers verbeteren plastic transistors

Medewerkers van het Georgia Institute of Technology zijn erin geslaagd transistors te ontwikkelen die in een scala van omstandigheden inzetbaar zijn en voldoende stroom kunnen schakelen voor praktische doeleinden.

De transistors kunnen bovendien bij lage temperaturen geproduceerd worden, wat ze geschikt maakt om op een plastic substraat te worden vervaardigd. Bij hogere temperaturen smelt het plastic en zijn ingewikkelde tussenstappen nodig om de transistors naar plastic substraten over te brengen. Tevens kan de massaproductie van de nieuwe transistors onder normale atmosferische omstandigheden plaatsvinden. De transistors bleken zonder afscherming tegen zuurstof of vocht bestand. Na twintigduizend keer aan- en uitschakelen met de maximale schakelstroom en een verblijf in een plasmakamer bleven de prestaties gelijk; pas na een uur onderdompeling in aceton vertoonden de transistors enige degradatie.

De transistors werden gemaakt met een dubbele laag dielektrum. Die dunne laag tussen het halfgeleidermateriaal van de gate en het substraat werd uit twee lagen opgebouwd. De ene laag bestond uit een polymeer dat als Cytop bekendstaat; de tweede laag is het bekendere high-k-metaaloxide dat onder meer door Intel in zijn cpu's wordt gebruikt. De dubbellaag combineert de positieve eigenschappen van beide deellagen. De nadelen, enerzijds een daling van de stroom en anderzijds juist een stijging, bleken elkaar op te heffen.

De onderzoekers hebben voor hun tests de transistors onder een normale atmosfeer op glas geproduceerd. In een volgende stap willen ze de transistors op een flexibele plastic onderlaag produceren, wat dankzij de verwerkingstemperatuur van minder dan 150 graden Celcius mogelijk is. In een later stadium willen de Georgia-wetenschappers de transistors met inktjettechnologie printen. De transistors zouden dan voor onder meer toepassingen in plastic zonnecellen, rfid-tags en smart cards gebruikt kunnen worden.

Reacties (30)

[Jolke]

Leuk onderzoek; ik hou me op het zelfde vlak bezig.
Het is echter niet heel erg vernieuwend wat ze gedaan hebben: wetenschappers zijn er heel erg goed om kleine resultaten enorm op te blazen zodat het lijkt alsof de wereld er meteen door zou veranderen. Ik kan het weten, ben ook een wetenschapper
Je hebt het simpelweg nodig om de de juiste subsidies te bemachtigen en om je onderzoek verder te kunnen doen. Diegenen die het hardst van de toren blazen en het meeste geld krijgen, zijn niet altijd de mensen met het meest vooraanstaande resultaten en onderzoek. Bovendien, onderzoek kan je deels ook kopen. Maar dat wordt een lang off-topic verhaal.

Back to on-topic:
Plastic electronics is een hele grote hype, als sinds een aantal jaren. Het houdt in dat je je microelectronische componenten op een plastic substraat kan aanbrengen, zoals transistoren, weerstanden, condensatoren, etc... Normaal gesproken in de electronica wordt dit op een thermisch minder gevoelig (lees: bijna ongevoelig) substraat aangebracht, zoals silicium (Si), of galliumarsenide (GaAs), waarbij een processing temperatuur van 400 graden geen problemen geeft. Opdampen van geleidend materiaal kan dan middels vacuum (PVD) of thermische/chemische (CVD) technieken.
Deze processen zijn erg duur, omdat alles onder hoog vacuüm plaats moet vinden. Verder is een batch-process, je kan ook moeilijk continu maken. Een continu proces is goedkoper dan een batch-proces en bovendien kun je dan het zogenaamde roll-to-roll (R2R) principe toepassen; aan de ene kant van het proces een rol plastic afdraaien, dan verschillende processen er op los laat en aan de andere kant je plastic rol weer opdraait, zodat je kilometers funtionele componenten op een plastic rol hebt zitten. De vaste substraten voor lithografie zijn al niet meer te gebruiken als er enkele nanometers kromming in het oppervlak zit - laat staan op een rol.
En daarom is plastic zo'n interessant substraat. Maar alleen de duurdere plastic subtstraten zijn bestand tegen hoge temperaturen, zoals polyimide (PI) en polyetheretherketon (PEEK). Andere plastics, zoals polycarbonaat (PC) of polyethylene terephthalaat (PET), hebben een lage productie prijs, maar hebben tevens een lage glasovergangstemperatuur van 150 graden of lager, wat dus weer niet gaat met de huidige opdamptechnieken.
Daarom zijn er metalen nanoparticles uitgevonden in de jaren 70 van de twintigste eeuw, bijvoorbeeld van zilver of goud. Als de deeltjes 1-10 nanometer (nm) in diameter zijn, hebben ze een veel lager smeltpunt dan het bulk materiaal. In extreme gevallen zelf smelten bij kamertemperatuur, waarbij zilver en goud normaal smelten bij 965 of 1064 graden, respectivelijk. Hiermee kan je vrij eenvoudig een inkt van nanodeeltjes maken, en die kan je dan weer printen.

Hier wordt ook op gewezen in het artikel. Ik begrijp niet waarom de groep van GIT nog niet geprint heeft. Transistoren kunnen al lang geprint worden, zie het artikel van Sirringhaus in Science uit 2000 (klik). Prof. Sirringhaus is trouwens ook medeoprichter van het bedrijf PlasticLogic, die de eReaders en inmiddels ook de verbeterde qReaders op de markt brachten.
En het printen lijkt nu heel wat nieuwer dan het is; toen ik hier in 2005 mee begon te werken, waren er een handje vol mensen wereldwijd mee bezig, nu zijn de onderzoeksgroepen en bedrijven niet meer te tellen.

Het printen van die nanodeeltjes inkten is niet zo'n probleem, als het maar een stabiele inkt is. Om de dispersie stabiliteit te kunnen garanderen, moeten er organische materialen/polymeren om de deeltjes heen. Ok, hebben we een functionele inkt.
Na het printen moet je het hele zaakje verwarmen om die organische rommel er weer uit te krijgen. En de warmte die je nodig hebt, is meestal een graad of 200. Weer niet compatible met de goedkopere plastics. Maar hier zijn in de laatste jaren genoeg uitvindingen aan gedaan - was er zelf ook 1 van - om dit op lage temperatuur, en zelfs bij kamertemperatuur plaats te laten vinden.
Zijn we er dan? Nee, nog niet helemaal, want je moet alle lagen voor een transistor printen. Buiten de geleidende lagen (source, drain, gate), ook de halfgeleider en de isolator. Als je een materiaal print, en een andere materiaal eroverheen print, zul je de eerste laag gedeeltijk oplossen. Je moet dus met orthogonale oplosmiddelen werken, en elke laag weer behandelen zodat ie goed functioneert later in de transistor. Dan uiteindelijk heb je ook nog contact weerstanden en grenslaag verschijnselen in alle tussenliggende lagen. Probleem op probleem, maar langzaam komen daar ook de oplossingen voor.

Waar gaat dit hele verhaal naartoe? Antwoord geven op de vragen, waarom plastic electronics, waarom printen, en kunnen we onze processor binnenkort printen?
Om met de laatste te beginnen, dit is heel duidelijk een nee. Lihografie gaat al een aantal decennia mee en kan op nanometer schaal miljoenen structuren maken. Printen kan tegenwoordig op micrometer schaal, kleiner ook, maar niet snel.
Ten tweede, ik denk ook niet dat we printen moeten zien als een vervanging van lithografie, ook al vergelijkt men de twee heel vaak: printen brengt alleen het materiaal aan, daar waar je het wilt hebben, lithografie heeft ets-stappen nodig, etc... Maar printen heeft juist het voordeel dat je makkelijk kunt schakelen van design, het is een flexibele depositie tool. Voor litho heb je een masker nodig, die duur en vast qua design zijn. Als je de volgende dag een ander design wilt printen, dan druk je toch gewoon een ander plaatje af? Dit doen we al jaren met kleuren voor foto's, maar zou je dus in de nabije toekomst ook kunnen doen met aparte cartridges die gevuld zijn met zilver inkt, halfgeleider en isolator materiaal - in plaats van CMYK kleuren.
Als laatste, plastic electronics maakt het in de toekomst ook mogelijk dat alle onderdelen van polymeren gemaakt zijn - het science artikel toonde het al aan - als een produkt aan het eind van zijn levensduur is, dan kun je het simpelweg verbranden, immers het is alles op organisch materiaal gebaseerd. Geen zware metalen die achter blijven.
Mooi toch
En de toepassingen voor plastic/printed electronics zijn op dit moment voornamelijk de smart-cards en RFID tags. Een niet te grote schaal (geen miljoenen oplage, geen nanometer resolutie), het valt helemaal te printen en is goedko(o)p(er) te verwerken als afval. Zonnecellen geloof ik niet zo in, want polymeren zijn niet bepaald lang stabiel in de volle zon…

O ja, nog een paar kleine kanttekening:
Het feit dat die transistor bij GIT het een uurtje uithoudt in aceton, dat kan ik me wel voorstellen met een fluoropolmeer Cytop (specs). Je Teflon koekenpan kan daar ook tegen, maar erg mileuvriendelijk is het ook niet meer aan het einde van zijn levensduur. En graey, het gaat niet alleen om het produceren van een materiaal, het gaat ook over het verwerken bij einde van levensduur en daar zijn plastics weer (ietsje) goedkoper mee.
En verder, de foto laat de basis structuur van de transistoren zien, source en drain omdat het een top-gate transistor is, geen afgemaakte transistor dus. Men laat natuurlijk alleen maar een gedeelte zien, omdat het eind product er vaak niet zo gelikt uit ziet.

Zo, een heel verhaal geworden… sorry, krijg je als het over je vakgebied gaat.
... eh ja, ik ben chemicus van beroep

[Verwijderd]

Ik mag niet modereren (niet aangemeld) maar er mogen van mij nog wat plusjes bovenop degene die er al staan, waarom omdat dit perfect is uitgelegd, wat ik van vele reacties niet kan zeggen. Zelf mij zegt het wat en ik heb niets met chemie te maken

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 15:23]

[Verwijderd]

Deze techniek is niet bedoeld voor snelle processoren, nu niet en over 20 jaar niet. Deze techniek is bedoeld voor goedkope transistors voor toepassingen waarbij snelheid niet van belang is.

[postbus51]

Zoals zonnecellen die opplakbaar zijn of ff snel endus licht handelbaar (denk ruimte lekker koud daar)
een kreukbare OV-pas (bank-id-weeniewapas)

[Mr.Apoptosis]

Volgens mij zijn dit soort ontwikkelingen heel belangrijk voor toepassinginnen in de ruimtevaart, waar conventionele transistors snel kapot gaan door de verhoogde straling en magnetische velden etc. onder deze omstandigheden is duurzaamheid en betrouwbaarheid vele malen belangrijker dan snelheid.

[Mafketel]

Leuk plaatje
De schakeling is op glas gemaakt en de toekomst kan deze misschien op plastic omdat niet al te hoge temp's nodig zijn.
Zullen we het maar journalistieke creativiteit noemen

[poststamp]

Lijkt me wel lachen, even een i7 printen

[Mavamaarten]

zzt zzt zzt zzt... Damn verkeerde grootte geprint, past niet in men socket
Maar het feit dat ze nu enkele transistors konden printen op plastic (kijk foto, zo'n transistor is groot !) wil niet zeggen dat hier processors mee kunnen worden afgedrukt. Zo'n transistor in een processor is misschien enkele nanometers groot.

[ADT_Phantom]

Maar 40 jaar geleden waren transistors nog groter dan op de afbeelding, dus wie weet over een jaar of 20 - 30

[PuzzleSolver]

40 jaar geleden waren er al de eerste digitale chips met 1000'en transistoren

http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

Transistors zo groot als de foto stammen eerder uit 1950 ofzo (al is dat moeilijk te vinden) de To-3 case uit 1955 is ongeveer zo groot als de foto (al is dat een power transistor en die op de foto waarschijnlijk niet )

http://en.wikipedia.org/wiki/TO-3

Deze technieken zijn niet bedoeld voor high-end processoren maar meer voor processen waar je goedkoop een aantal transistors wilt toevoegen aan een bepaald apparaat wat al op een bepaalde manier werkt en op plastic wordt geproduceerd zoals bepaalde typen zonnecellen.

Een andere toepassing is waar je graag zou willen dat je processor/elektronica buigbaar is. Maar hiervoor geld dat deze techniek waarschijnlijk altijd groter blijft dan de niet buigbare tegenhanger, dus niet geschikt voor een high en i7, maar mischien dat er ooit een Atom of ARM mee gemaakt gaat worden ?

[Peenutzz]

Tot die tijd kunnen ze het net zo doen als vroeger, toen een computer nog een kamer in beslag nam. Door al het geprinte materiaal kun je het misschien nog op een archiefruimte laten lijken

[Rmg]

Zal een vrij grote i7 worden. het is nou niet bepaald nanometer technologie

printbare flexibele zonnecellen is nou wel weer interessant mits het basismateriaal niet heel duur/exotisch is

[Reactie gewijzigd door Rmg op 27 juli 2024 15:23]

[Boxman]

Zonnecellen en transistoren zijn echt totaal wat anders. Bovendien bestaan zonnecellen met een plastic substraat al vrij lang.

[Verwijderd]

ik zie extreem overklokbare processors in het verschiet...

[Eskimo0O0o]

Nonsens. Het is niet mijn vakgebied, maar in het artikel staat toch duidelijk dat de vooruitgang inhoudt dat het productieproces nu op lage temperatuur mogelijk is; anders smelt het plastic.

Wat gebeurt er in de regel bij overklokken (aannemende dat men het voltage verhoogt)? Precies, temperatuur stijgt en je substraat smelt. Want het smeltpunt van het plastic is verder niet veranderd, dus ik neem aan dat wat voor schakelingen je ook op het plastic wilt hebben, het nog altijd niet erg heet mag worden.

[onox]

Ze hebben het over een verwerkingstemperatuur van minder dan 150 graden celsius. Volgens mij vinden processoren het nu al niet leuk als ze naar de 100 gaan En toch weten mensen die dingen te overklokken. Conclusie: voldoende koeling.

[G-bird]

Alleen vergeet je 1 ding. De huidige processoren hebben metallische behuizing die goed geleiden en de warmte afvoeren. Gemiddelde plastics geleiden warmte niet echt heel goed.

[egonolieux]

Wie zegt dat ze hier processors van gaan maken? Er wordt duidelijk vermeld dat deze transistors vooral gebruikt zullen worden voor zonnecellen, smartcards, en dergelijke toepassingen.

[G-bird]

Inderdaad goedkope lage perfoming processoren met veel vorm vrijheid. Dat is de toepassing!

[M0N0]

Verklaar u nader?

[Verwijderd]

ik bedoel niet de huidige lijn processors

INa twintigduizend keer aan- en uitschakelen met de maximale schakelstroom en een verblijf in een plasmakamer bleven de prestaties gelijk; pas na een uur onderdompeling in aceton vertoonden de transistors enige degradatie.

dus een beetje overklock zal ook wel mogelijk zijn.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 15:23]

[iMispel]

Haha, 20000 keer... in een gemiddelde processor kan een transistor 20000 keer in 10 microseconden schakelen .

En een maximale schakelstroom, wat zegt dat nu? Dat is gewoon iets wat artificieel bepaald wordt. Kan zowel 10A als 10 nano-ampère zijn.

Als we zo (uitvin)dingen gaan voorstellen kan ik er ook wel één: "Ik heb hier een device liggen niet groter dan een sigarenkistje dat draadloos verbinding kan maken met miljarden andere devices" (waar ik mee wil zeggen: Mijn gsm kan op internet )

Begrijp me niet verkeerd, is best een opmerkelijke uitvinding, maar wat proza tekst zonder context of harde cijfers maakt echt geen indruk op mij. Hoeveel keer kan een vergelijkbare transistor in- en uitschakelen, hoeveel stroom was dat nu en hoe reageren andere transistors dan wel in aceton?

[mad_max234]

Mooie vooruitgang, betekend dit dat productie proces gemakkelijker word maar wat ik belangrijk vind is het minder belasten voor het milieu? Want bijvoorbeeld zonnecellen zijn nog steeds heel erg vervuilend omdat de productie proces gewoon erg vervuilend is levert het bijna niks op aan einde van de rit.

Als ik het zo lees worden er wel gewoon zeldzame aarden gebruikt, of hebben ze daar ook nog wat op kunnen besparen?

[Reactie gewijzigd door mad_max234 op 27 juli 2024 15:23]

[graey]

De productie van plastic is ook niet compleet groen, om maar eens een understatement te gebruiken...

[feelthepower]

nogal offtopic, maar:

zonnecellen zijn nog steeds heel erg vervuilend omdat de productie proces gewoon erg vervuilend is levert het bijna niks op aan einde van de rit.

Overall, all PV technologies generate far less life-cycle air emissions per GWh than conventional fossil-fuel-based electricity generation technologies. At least 89% of air emissions associated with electricity generation could be prevented if electricity from photovoltaics displaces electricity from the grid.

Bron http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es071763q

[kidde]

Idd, silicium raffineren kost veel (elektrische) energie. Vandaar dat men het dikwijls doet in landen met goedkope groene stroom, zoals waterkracht in Brazillië.

Tuurlijk, als je het in Nederland zou doen worden er tonnen kool verstookt voor het produceren van een zonnecel. Maar dat is dan de schuld van die kolencentrale, en niet van die zonnecel.

Zou er in Nederland meer zonne/wind/getijden/waterkracht/zoet-zout energie zijn, of CCS, misschien nog wat 3e generatie biomassa en mogelijk (?) wat "schone" kernenergie (voor zover zoiets mogelijk is) dan zou men in Nederland ook zonnecellen kunnen produceren zonder grote milieubelasting.

[Aham brahmasmi]

dus een beetje overklock zal ook wel mogelijk zijn.

Ja, klinkt heel logisch. Ik zie een duidelijke overeenkomst met de huidige processors die overklokbaar zijn.

[humbug]

Ik zie iemand die een first post moest halen en een paar willekeurige interessante woorden in 1 zin heeft gezet.

[Smilezz]

pas na een uur onderdompeling in aceton vertoonden de transistors enige degradatie.

Wat niet?

[koffieprutser]

Als processor gebruiken: maak grote plaat met superveel transistors, en gebruik als raam 8 ramen = 8-core processor. De wind buiten koelt goed genoeg