Transistor stampati su carta per l'elettronica indossabile del futuro?

I risultati di uno studio condotto da un gruppo internazionale di ricercatori (Università di Pisa, Università di Manchester, Istituto Italiano di Tecnologia, Istituto di Fotonica, dell’Università Tecnica di Vienna TUW (Technische Universität Wien) mostrano che è possibile stampare su carta un transistor attraverso l’utilizzo combinato di due tecniche ampiamente diffuse (di cui parleremo più nel dettaglio nel corso dell’articolo): la deposizione chimica da vapore e la stampa a getto di inchiostro. 

La carta è il substrato ideale per lo sviluppo di sistemi elettronici ubiqui flessibili e sostenibili dal punto di vista ambientale, che, combinati con materiali bidimensionali, potrebbero essere sfruttati in molte applicazioni della Internet degli oggetti e vanno dall'elettronica indossabile agli imballaggi intelligenti (solo per fare alcuni esempi).

Che cosa hanno realizzato i ricercatori?

I ricercatori sono riusciti a stampare transistor ad effetto di campo (FET, field-effect transistor) basati sul solfuro di molibdeno (MoS2) su carta ottenendo elevate prestazioni comparabili con la tecnologia di riferimento attualmente in uso che si basa sui semiconduttori organici.

Come abbiamo accennato all’inizio, le due tecniche impiegate per realizzare il transistor sono: la deposizione chimica da vapore e la stampa a getto di inchiostro.

Immagine 1 - Rappresentazione grafica che mostra un circuito stampato a getto d'inchiostro su carta con canale MoS2 realizzato con la tecnica di deposizione chimica da vapore (CVD). Credits: Nature Communications. Licenza: CCBY4.0 tratto da Conti, S., Pimpolari, L., Calabrese, G. et al. Low-voltage 2D materials-based printed field-effect transistors for integrated digital and analog electronics on paper. Nat Commun 11, 3566 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17297-z

Le due tecniche utilizzate per la realizzazione del transistor stampato su carta

La deposizione chimica da vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) è una tecnica di deposizione nella quale un substrato, posizionato all’interno di una camera di reazione, viene esposto a uno o più precursori (organici o metallorganici) piuttosto volatili che vengono trasportati in fase vapore attraverso un gas di trasporto inerte (generalmente argon oppure azoto). Non appena i precursori si trovano a contatto con il substrato opportunamente riscaldato interagiscono chimicamente con esso portando alla formazione (deposizione) di uno strato sottile.

Immagine 2 - schema semplificato della tecnica di deposizione chimica da vapore.

La stampa a getto di inchiostro consiste nel proiettare, attraverso un'apposita stampante, minuscole goccioline di inchiostro su un supporto da stampare (generalmente viene utilizzato un supporto cartaceo). 

Il vantaggio della stampa a getto d'inchiostro è rappresentato da un processo di produzione semplificato nonché da una prototipazione rapida, ciò consente non solo correzioni al volo ma anche cambiamenti di modello semplici. 

Inoltre, essendo un metodo di fabbricazione additiva senza maschera abbiamo una riduzione dei materiali e del consumo di energia. 

Durante la fabbricazione risulta ridotto anche il numero delle fasi di lavorazione, il tempo, lo spazio e la produzione di rifiuti. 

La stampa a getto di inchiostro non è esente da criticità, su tutte vi è la necessità di utilizzare inchiostri con proprietà reologiche specifiche e soprattutto l'attuale mancanza di inchiostri semiconduttori basati su materiali in 2 dimensioni per transistor a effetto di campo ad elevate prestazioni.

La deposizione chimica da vapore consente la deposizione di un modello di solfuro di molibdeno mentre la stampa a getto di inchiostro rende possibile la stampa di strati di dielettrico (ossia materiale isolante elettrico), di contatti e di collegamenti elettrici al fine di completare la fabbricazione di transistor e circuiti.

I progressi raggiunti dalla stampa a getto di inchiostro dei transistor a film sottile

Negli ultimi due decenni, la stampa a getto d'inchiostro ha guadagnato una notevole attenzione come processo in grado di produrre elettronica a basso costo, a bassa temperatura e per dispositivi elettronici di largo consumo, rappresentando quindi una solida base nel campo dei TFT (Thin-Film Transistor).

Recentemente un gruppo di ricercatori coreani ha condotto lo studio “Recent Progress in Inkjet‐Printed Thin‐Film Transistors” pubblicato sulla rivista Advanced Science per fare il punto della situazione sui progressi raggiunti dalla stampa a getto di inchiostro nell’ambito dei transistor a film sottile.

Un vantaggio principale che è possibile ottenere solo con la stampa a getto d'inchiostro è la modellazione senza maschera con un elevato grado di libertà.

Questa capacità consente una facile personalizzazione implementando una varietà di componenti elettronici complessi, come TFT pilota, dispositivi di memoria, display, sensori e alimentatori sullo stesso substrato utilizzando la produzione additiva. Inoltre, la stampa a getto d'inchiostro deve impiegare intrinsecamente inchiostri a bassa viscosità, il che offre l'opportunità di utilizzare la dinamica di un liquido prima dell’asciugatura o della sinterizzazione.

Inoltre, la stampa a getto d'inchiostro risulta competitiva anche per la realizzazione di componenti elettronici come dispositivi medici indossabili, tag RFID a basso costo, sensori RF, imballaggi per alimenti e potenziali applicazioni di memoria flessibili. Infine la stampa a getto di inchiostro potrebbe aprire la strada per la realizzazione di dispositivi elettronici a film sottile indossabili connessi attraverso l’IoT (Internet of things). 

Mettere insieme elettronica digitale e analogica

Nello studio dell'Università di Pisa i ricercatori hanno dimostrato che è possibile mettere insieme l’elettronica digitale e quella analogica ottenendo porte logiche e configurazioni di dispositivi elettronici come gli specchi di corrente.

I risultati dello studio hanno messo in evidenza il potenziale di questo approccio per lo sviluppo di dispositivi elettronici ubiqui realizzati su supporto cartaceo.

I test di flessione hanno dimostrato che le proprietà elettriche del dispositivo sono robuste sotto sforzo (fino a un raggio di curvatura di 8 mm). L’approccio seguito dal team di ricercatori per la fabbricazione di dispositivi elettronici su carta è adatto allo sviluppo di circuiti integrati completi, quali inverter ad alto guadagno, porte logiche e specchi di corrente.

Lo studio "Low-voltage 2D materials-based printed field-effect transistors for integrated digital and analog electronics on paper" è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications. Lo studio è parte di un progetto più ampio, il WASP (Wearable Applications enabled by Electronic Systems on Paper) un progetto portato avanti da un consorzio costituito dall’Università di Pisa come capofila insieme ad altre università e ad alcune aziende. 

Conclusioni

I risultati dello studio indicano che «Il transistor stampato su carta ha prestazioni elettriche confrontabili con la attuale tecnologia di riferimento basata su semiconduttori organici – spiega il professor Gianluca Fiori, docente di elettronica al dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Pisa e coordinatore del progetto – L’utilizzo della carta come supporto e dei materiali bidimensionali come “inchiostro” di stampa è sicuramente una grande innovazione: l’auspicio per il futuro è poter fabbricare dispositivi di elettronica di largo consumo con il vantaggio di poter avere sistemi “personalizzati”, a basso impatto ambientale, facilmente smaltibili e riciclabili».