Hiệu suất tốt hơn bón bán dẫn
Sử dụng một loại mực in từ carbon, các kỹ sư chế tạo ra những mạch điện tử có thể in 3D và tái chế hoàn toàn. Các thiết bị điện tử có độ bền, hiệu suất cao, có thể sử dụng trong nhiều tháng và phân hủy khi thải loại để thu hồi vật liệu carbon để tái sử dụng.
Aaron Franklin, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính thuộc Đại học Duke, tác giả báo cáo kết quả nghiên cứu, cho biết, thiết bị điện tử carbon có thể tái chế không phải để thay thế các thiết bị điện tử silicon. Nhưng đây là một phương pháp nhằm giải quyết cơn khát về những thiết bị điện tử nhúng, phổ biến ở khắp mọi nơi mà không phải xả một lượng khổng lồ chất thải độc hại.
Nghiên cứu về điện tử in và thiết bị điện tử tạm thời bùng nổ trong những năm gần đây nhằm đáp ứng nhu cầu những cảm biến thân thiện với môi trường, chi phí thấp. Các thiết bị điện tử tạm thời được thiết kế có giá trị thấp, sử dụng cho một mục đích duy nhất với giới hạn thời gian được lập trình, phân hủy hoàn toàn sau khi sử dụng thay vì tồn tại trong cơ thể hoặc môi trường.
Nhưng các thiết bị điện tử tạm thời này vẫn tạo ra silicon và những chất thải khác. Công nghệ in 3D vi mạch điện tử trước đây vẫn sử dụng một số kỹ thuật ngoài máy in. GS Franklin cho biết: “Chúng tôi đặt mục tiêu in toàn bộ mảng điện tử tại chỗ. Chúng tôi đặt chất nền (giấy) vào máy in, in tất cả các chi tiết cần thiết và sau đó kéo ra. Thiết bị điện tử đã sẵn sàng để kiểm tra. Hiệu suất ngang bằng hoặc tốt hơn hầu hết các bóng bán dẫn in khác”.
 |
| In phun 3D thiết bị điện tử trên giấy. |
Mực in nanocellulose
Để có được những thiết bị chất lượng cao này, các nhà khoa học chế tạo mực carbon cho cả 3 yếu tố chính của bóng bán dẫn màng mỏng: Chất bán dẫn, chất dẫn điện và chất cách điện. Các loại mực bán dẫn và dẫn điện được làm từ các ống nano carbon và graphene đã có sẵn từ lâu.
Sáng kiến quan trọng nhất là loại mực cách điện mới của nhóm nghiên cứu. Để chế tạo loại mực này, nhóm nghiên cứu sử dụng nanocellulose, một vật liệu dồi dào, có thể phân hủy sinh học được sản xuất từ bột gỗ. Vật liệu được sử dụng phổ biến trong bao bì thực phẩm, mỹ phẩm và những sản phẩm gỗ, giấy sản xuất từ vật liệu này cũng được sử dụng trong điện tử như một chất cách điện. Nhưng Franklin và các đồng nghiệp lần đầu tiên huyền phù hóa nanocellulose trong một dung dịch và sử dụng như một loại mực in 3D trong mạch in.
Sử dụng một máy in, theo Franklin là phiên bản tiên tiến của máy in phun thông thường, nhóm nhà khoa học đã lần lượt in 3 loại mực này lên giấy, tạo ra các bóng bán dẫn. Máy in phun sẽ thổi mực thành một màn sương nhỏ các giọt siêu nhỏ và dẫn khí dung này lên bề mặt giấy bằng khí trơ. Nhưng kỹ thuật cơ bản này có thể được chuyển sang in cuộn giấy trên rulo, chế tạo hàng nghìn thiết bị nhanh chóng.
Thiết bị điện tử in trên giấy và ứng dụng thực tế.
Theo GS Franklin, các thiết bị được sản xuất có “thời hạn sử dụng dài đáng kinh ngạc”. Các bóng bán dẫn trần, không có bất kỳ lớp phủ bảo vệ hoặc bao bọc nào, được đặt trên kệ phòng thí nghiệm trong 9 tháng nhưng không suy giảm hiệu suất.
Việc tái chế lại các thiết bị thải loại rất đơn giản, ngâm thiết bị điện tử giấy trong một loạt bồn nước, sử dụng sóng âm thanh làm rung để tách ra các thành phần vật liệu. Các ống nano carbon và graphene được lọc ra, được thu hồi để tái sử dụng cho việc in ấn. Nanocellulose và chất nền giấy có thể được tái chế riêng biệt.
Các nhà khoa học đang phát triển một số ứng dụng đối với thiết bị điện tử carbon in 3D đang thử nghiệm. Những thiết bị điện tử trên giấy in carbon có thể mở ra một chân trời mới về các thiết bị điện tử thông minh sử dụng một lần không gây ô nhiễm môi trường.
