未來智能手表可由噴墨打印機生產

劉菊艷/編譯

未來智能手表可由噴墨打印機生產

劉菊艷/編譯

柔性的“智能”衣料，如圖所示的樣本，可以由碳基電子產品用噴墨打印機制成

想象一下，從你的噴墨打印機可以得到最新款的智能手表或者一個高技術心臟病警示探測器。研究人員已經在這一方向取得了進展：通過打印低成本而可靠的晶體管陣列——當代電子產品的核心部件——將他們用于執行各種基礎計算任務。這一研究在將來某天可能會在有機柔性消費性電子產品方面開創一個新紀元。

與一般的晶體硅相反的是，新的電路由有機碳基化合物構成。已經有人通過聯合使用噴墨式打印和其他沉積的方法打印出了有機電子元件，這種產品在整個過程中只用了一臺噴墨打印機。德克薩斯大學奧斯汀分校的電氣工程師阿南斯·多達巴拉珀（Ananth Dodabalapur）說：“我很難想象這種兩層結構的器件只通過噴墨打印就能把所有事情都做好，這是一個挺不錯的演示。”他并沒有參與此項研究工作。

相對于大批量生產的產品而言，新的商業電子設備必須精致、耐用、經得起檢驗。幾乎所有的大眾市場設備都依賴于晶體硅微芯片，生產者會在這種芯片上鑲嵌更小的晶體管——尤其是可以用于組成電腦邏輯電路的電子開關。

但是硅芯片有一些劣勢。例如，由于硅片堅硬，所以很難將硅基電路系統做成柔性產品。很多人認為由有機材料制成的柔性耐用電子產品可以為電子產品開創新的應用。例如，柔性電子產品可以搜集重要的醫療數據，如動脈硬化方面的數據，這些數據有助于預測心臟病和大腦的腦電活動，可以揭示癲癇癥發作的癥狀。

為幫助實現這一潛能，韓國浦項科技大學的電器工程師鄭崇俊與他的同事們決定研究一下他們能否簡單地打印出有機晶體管的工作網絡。為盡可能多地加入晶體管，他們設計的晶體管可以一層一層往上疊加，而不是側放在芯片邊上，這樣之前只可以放一個晶體管的空間，現在可以有效地將兩個晶體管放置在其中。

他們有一次用一個噴墨打印機打印了3微米高的電路：將碳基化合物放置在底層，通過這些化合物，電流可以自由流進或流出晶體管；然后，放置可以控制兩個晶體管電流的金屬電極；最后，化合物形成晶體管的載流部件。在各層晶體管之間，他們還存放了一層保護薄膜，這種材料被稱為聚對二甲苯，一種新型熱塑性塑料。

這一器件包括了100多個晶體管，足夠形成可以完成幾項基本運算（包括添加2個數字）的邏輯電路。

鄭崇俊的器件達到了一些重要基準。生產8個月后所有晶體管都能很好工作，這對于壽命很短的有機電子產品來說，是令人印象深刻的一大亮點。另外，據美國化學學會納米期刊的研究報道，與特殊硅片加工中需要幾百度的溫度條件相比，有機電子產品在這一整個過程中，所需的溫度不高于120°C。

但是，打印的產品與硅電子產品相比還有較大的差距。這個團隊能夠將5個晶體管放入1平方毫米，而當今的計算機可以將數百萬的集成電路芯片塞進同樣的空間內。“從晶體管的集成度來看，我們的技術還相當于20世紀60年代末70年代初的硅技術水平，那時候微型處理器才剛剛出現。”鄭崇俊說道。

由于研究人員是為了演示概念而不是打印產品，鄭崇俊的團隊在硬質玻璃上打印出了電路。同時，他們也已經在柔性塑料上打印出了類似的元部件，并計劃很快公布結果。多達巴拉珀也提到，通過一些度量計算表明，這種新器件相對于一些已經生產出來的有機電路而言，尚屬落后。例如，團隊用到的邏輯計算類型，與其他方法相比，需要用到更多的晶體管，極大地抹去了元件緊密疊加所帶來的好處。晶體管的運算速度也相對較慢和不連貫。此外，即使在生產過程中每一步都用到噴墨打印，但也沒有看到限制一個人使用打印或仿制技術的任何益處。

然而，帕洛阿爾托研究中心（PARC，加利福尼亞的帕洛阿爾托的一個研究機構）的一位柔性電子產品專家亞諾什·維若斯（Janos Veres）認為，隨著一種產品逐漸走向商業化，它的缺陷也可能慢慢會消失。這項研究呈現出了一種打印和保護有機電子元件的新方法，也想象了未來的傳感器將不僅包含兩層晶體管，而是很多，可能還會與硅芯片或者其他技術綜合應用起來。對于這一成果而言，維若斯表示很受鼓舞，他說：“最終我們一定會看到打印的微芯片。”

[資料來源：Science][責任編輯：絲 絲]