在聚合物和纸上印刷的功能氧化物 (FOXIP) 项目中，研究人员组成了 Empa、EPFL 和 Paul Scherrer 研究所，他们试图将带有金属氧化物的薄膜晶体管印刷到热敏材料上，例如纸或 PET。目标最终没有实现，但相关人员认为该项目取得了成功，因为他们制造了新的印刷油墨和具有“记忆效应”的晶体管。

Empa 实验室的聚酰亚胺薄膜上的电子电路形成突触晶体管。图片来源：Empa

毫无疑问，标准定得很高：目标是在纸质基材或 PET 薄膜上成功印刷薄膜晶体管。具有这些元素的电子电路在不断发展的物联网 (IoT) 中发挥着重要作用，例如文件、瓶子、包装上的传感器——一个价值数十亿的市场。

如果用无机金属氧化物制造这种晶体管是可行的，这将开辟大量新的可能性。Empa 薄膜和光伏实验室的项目负责人 Yaroslav Romanyuk 解释指出，与半导体聚合物聚噻吩等有机材料相比，这些材料中的电子移动性更强。因此，它们可以显着提高此类元件的性能，并且不需要通过昂贵的封装来防止空气和湿气。

高温是一个挑战

含有金属氧化物的油墨存在一个问题：为了形成稳定的晶体管，材料必须在印刷后烧结——通常是在烤箱中。另外，干燥和烧结可以用光来完成——例如，用低波紫外线辐射或氙灯。印刷层通过非常短的闪光加热以保护基材。水、溶剂和粘合剂会在过程中留下材料。

然而，这种工艺将基材加热到高达 200 度——对于纸张或 PET 来说太热了，它们在 80 度左右开始失去强度，而其他塑料（如聚酰亚胺）可以承受更高的温度。

从 2017 年到 2021 年，在 ETH 董事会发起的“战略重点领域——先进制造”（SFA-AM）项目中，来自 Empa、EPFL 软传感器实验室和 Paul Scherrer 研究所（PSI）聚合物纳米技术组的专家在该过程的每一步上都进行了合作——例如，使纸张表面光滑的涂层、油墨配方、辐照等——并取得了相当大的进展。

但正如 Romanyuk 指出的，他们在纸上打印功能性薄膜晶体管的“最终愿望”并未实现。工艺温度仍然太高，材料太粗糙。聚合物薄膜上的印刷晶体管最终的电输出太低。

期待意外

失望的？不，Empa 功能聚合物实验室的 Jakob Heier 说：这个项目绝不是失败的。 不仅因为对技术细节的新见解，还因为意想不到的“副作用”。

“这是一个非常令人兴奋的项目，有很多惊喜，”Heier 回忆起一个会产生后果的事件时说。它涉及材料石墨烯，原子薄层中的导电碳，也非常适合在柔性薄膜上印刷晶体管。

团队中的一名博士生对无法以更高浓度打印石墨烯墨水并不满意。颗粒聚集，它们聚集在一起，薄膜不能以这种方式形成。研究人员没有仅使用一种溶剂，而是尝试了石墨烯和三种溶剂的特殊乳液。但这种涂层在第一次尝试中也失败了。然而，当墨水在下一次尝试中混合均匀，然后受到轻微的剪切力时，打印成功了。

专家们调查了这一现象，发现剪切力从根本上改变了墨水的结构。液态重整中的细石墨烯薄片，使范德华力可以发挥作用。这些是原子或分子之间相对较弱的吸引力。结果是一种凝胶状墨水——不含聚合物等粘合剂，否则可确保液体保持其稠度且不会分离。

具有市场潜力的工艺

研究人员实现了一种在室温下也有效的具有实际优势的解决方案：墨水无需加热即可干燥。事实证明，这种范德华墨水不仅可以用石墨烯生产，还可以用其他用于印刷的二维物质生产。与此同时，该工艺已获得专利，据专家称，一些公司已经对生产令人垂涎的墨水表现出兴趣——这一切都是在团队怀着健康的好奇心进行调查的巧合之后发生的。

正如 Yaroslav Romanyuk 所说，这并不是 FOXIP 项目中唯一的惊喜。具有氧化铝绝缘层的场效应晶体管印在耐热聚酰亚胺塑料上，表现出相当奇特的行为。正如预期的那样，它不是一个恒定的信号，而是显示出上升的波浪。输出信号变得更强，因为它“记住”了以前的输入信号。

“对于晶体管来说，表现出这样的‘记忆’效应实际上是不可取的，”Romanyuk 解释说。

但团队中的另一名学生有一个想法，以不同的方式利用这一现象。具有这种记忆效应的晶体管的工作原理类似于人脑中的电路。神经细胞之间的突触不仅传递信号，还存储信号。对于模仿人脑的计算机来说，这种突触晶体管可能非常有趣。但它能做什么？

在莫扎特的支持下

为了探索其潜力，该团队与薄膜晶体管一起构建了人类听觉过程的电子副本，并为其提供了流行的莫扎特曲调：A 大调第 11 奏鸣曲中的回旋曲“Alla Turca”。

“它必须是一部生动的作品，”罗曼纽克笑着说。该实验和进一步分析表明，晶体管的突触功能在几赫兹到近 50,000 赫兹之间保持不变——比同类印刷晶体管高得多的带宽。

当然，与没有粘合剂的印刷油墨相比，这项基础研究的具体应用还没有出现——该团队发表在在线期刊《科学报告》上。但在通往新计算机技术的道路上，这些见解可能是一个有用的步骤，令人惊讶——就像科学史上经常发生的那样。

这样的巧合为 Romanyuk 和许多其他研究人员锦上添花，尤其是在可行的前沿项目中。

“我们故意将目标定得很高，”他说：“巧合在其中起着非常重要的作用。你给自己设定了一个巨大的挑战，然后，突然而出乎意料地，这些巧合就发生了。”