完全可回收！采用纯水印刷的全碳薄膜晶体管

使用纳米材料打印薄膜晶体管（TFTs）是未来电子产品的一种有前途的方法。然而，大多数油墨依靠对环境有害的溶剂来溶解纳米材料并进行印后处理。

杜克大学的工程师们制造出了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品，在制造过程中用水取代了化学物质的使用。通过绕过对危险化学品的需求，该示范为工业界指明了一条可以减少其环境足迹和人类健康风险的道路。这项研究于近日发表在 Nano Letters 上。

在这项工作中，作者展示了用半导体碳纳米管(CNTs)、导电石墨烯和绝缘结晶纳米纤维素(CNC)的全碳墨水打印的纯水TFTs。虽然将这些纳米材料悬浮到水性油墨中很容易实现，但事实证明，在没有高温、危险化学品和/或冗长的后处理的情况下，将这些油墨印刷成具有足够表面覆盖率的薄膜并多层堆叠以形成TFTs。使用气溶胶喷射打印，该研究涉及最高温度为70°C，并且没有危险化学物质 - 所有油墨都是水性的，仅使用水进行加工。采用间歇漂洗技术解决了限制印刷水性碳纳米管薄膜密度的表面粘附挑战。这些发现为薄膜电子的环保实现提供了有希望的步骤。

来源: Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04196

任何电子制造商面临的主要挑战之一是成功地将多层组件相互连接，这对于制造复杂设备至关重要。让这些层粘在一起可能是一个令人沮丧的过程，特别是对于印刷电子产品。

这项研究的负责人、杜克大学电气与计算机工程艾迪教授亚伦·富兰克林解释说：“如果你要做花生酱和果冻三明治，在两片面包上涂一层很容易。”“但如果你先把果冻放下，然后再在上面抹上花生酱，那就别想了，果冻不会待在原地，会和花生酱混在一起。把层叠加起来并不像把它们单独放下那么容易，但如果你想用打印技术制造电子设备，这就是你必须做的。”

在之前的工作中，富兰克林和他的团队展示了第一个完全可回收的印刷电子产品。该设备使用了三种碳基墨水：半导体碳纳米管、导电石墨烯和绝缘纳米纤维素。在试图将原来的工艺改为只使用水的过程中，碳纳米管提出了最大的挑战。

为了制造一种碳纳米管不会聚集在一起并均匀地分布在表面上的水性油墨，添加了一种类似于洗涤剂的表面活性剂。然而，由此产生的墨水并没有产生一层密度足够大的碳纳米管，以使大电流的电子通过。

“你希望碳纳米管看起来像散落在平坦表面上的意大利面，”富兰克林说。“但是使用水性墨水，它们看起来更像是被一个接一个地拿走并扔在墙上以检查熟度。如果我们使用化学品，我们可以一次又一次地打印多次通道，直到有足够的纳米管。但是水不是这样工作的。我们可以做100次，但密度仍然和第一次一样。”

这是因为用于防止碳纳米管结块的表面活性剂也可以防止额外的层附着在第一层上。在传统的制造过程中，除去这些表面活性剂需要使用非常高的温度（这需要消耗大量的能量），或者使用苛刻的化学物质（这可能会对人类和环境造成健康风险）。富兰克林和他的团队希望避免这两种情况。

在这篇论文中，富兰克林和他的团队开发了一个循环过程，在这个过程中，设备用水冲洗，在相对较低的温度下干燥，然后再次打印。当墨水中使用的表面活性剂的量也降低时，研究人员表明，他们的墨水和工艺可以制造出功能齐全、完全可回收、完全水基的晶体管。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机组件，用于电源控制或逻辑电路和传感器等设备。富兰克林解释说，通过首先演示晶体管，他希望向该领域的其他人发出信号，即有一条可行的途径可以使一些电子制造工艺更加环保。

富兰克林已经证明，印刷中使用的碳纳米管和石墨烯几乎100%可以在同一过程中回收和再利用，几乎不会损失物质或其性能可行性。由于纳米纤维素是由木材制成的，它可以像纸一样简单地回收或生物降解。虽然这一过程确实会消耗大量的水，但远不如传统制造方法中处理有毒化学物质所需的水多。

据联合国估计，每年被丢弃的数百万磅电子产品中，只有不到四分之一被回收。随着世界最终升级到6G设备，以及物联网(IoT)的不断扩展，这个问题只会变得更糟。因此，任何能在这堆积如山的电子垃圾中有所作为的举措都是非常重要的。

虽然还有很多工作要做，但富兰克林说，这种方法可以用于制造其他电子元件，比如现在社会上无处不在的屏幕和显示器。每个电子显示器都有一个薄膜晶体管的背板，类似于论文中所演示的。目前的制造技术是高能量的，依赖于危险化学品和有毒气体。整个行业已被美国环境保护署标记为立即关注。

富兰克林说：“我们的薄膜晶体管的性能比不上目前制造的最好的晶体管，但它们具有足够的竞争力，足以向研究界表明，我们都应该做更多的工作，使这些工艺更环保。”

审核编辑 ：李倩