L'impression par jet d'aérosol permet de créer des transistors durables et à faible consommation pour les technologies de nouvelle génération

Grâce à de nouvelles recherches menées par des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), il sera peut-être un jour possible d'imprimer des dispositifs électroniques miniatures, appelés microélectroniques , aussi facilement que des mots sur une page.

S'appuyant sur des années de progrès dans le domaine de l'électronique imprimée, l'équipe a démontré comment créer des commutateurs électroniques durables et à faible consommation, appelés transistors, en combinant des encres sur mesure et un procédé d'impression spécialisé. Ces commutateurs, qui contrôlent le flux de courant électrique pour activer et désactiver les circuits, consomment très peu d'énergie, sont conçus pour durer et présentent des comportements inédits par rapport aux dispositifs imprimés précédents. Ces recherches pourraient contribuer à la création de capteurs flexibles, de fenêtres intelligentes et d'autres technologies émergentes nécessitant une électronique fiable et économe en énergie.

Les scientifiques ont utilisé une méthode appelée impression par jet d'aérosol, qui fonctionne comme une imprimante à jet d'encre. Mais au lieu d'encre classique, elle utilise une encre spécialement formulée à base de nanoparticules. L'imprimante transforme l'encre en un fin brouillard et le pulvérise sur une surface, superposant ainsi des couches pour former des composants électroniques.

Contrairement aux procédés de fabrication traditionnels, qui nécessitent souvent des équipements coûteux et des températures élevées, l'impression par jet d'aérosol fonctionne à des températures plus basses et permet d'imprimer sur des surfaces flexibles, voire en 3D . Cette approche simplifie et accélère le développement et le test de nouveaux dispositifs électroniques.

« Avec les méthodes précédentes, les appareils ne pouvaient fonctionner que quelques fois — parfois seulement 10 cycles — avant de tomber en panne. Nos appareils peuvent effectuer des milliers de cycles sans problème. » — Wei Chen, chimiste à Argonne

Pour optimiser ces encres, l'équipe a utilisé le Centre des matériaux nanométriques ( CNM: Center for Nanoscale Materials  ) d'Argonne afin d'observer l'agglomération des nanoparticules, leur comportement sous l'effet de la chaleur et de vérifier la stabilité et la composition des films secs – des observations qui ont permis d'améliorer les formulations d'encre. Elle a également utilisé la microsonde à rayons X durs 2-ID-E de la Source de photons avancée ( APS: Advanced Photon Source ) d'Argonne pour cartographier la forme et la composition élémentaire des dispositifs imprimés, complétant ainsi les études de spectroscopie des rayons X à haute résolution réalisées à la Source de lumière synchrotron nationale II ( NSLS-II ) de Brookhaven. Le CNM , l'APS et le NSLS-II sont des installations ouvertes aux utilisateurs du Bureau des sciences du Département de l'Énergie des États -Unis (DOE) .

Un ingrédient clé de ces dispositifs imprimés est le dioxyde de vanadium. Ce matériau est particulier car il peut se comporter comme un conducteur, laissant passer l'électricité, ou comme un isolant, la bloquant. Cette capacité de commutation est essentielle à la fabrication de circuits électroniques et de dispositifs de mémoire, qui stockent et traitent l'information.

Pour contrôler le flux d'électricité dans les transistors, l'équipe a utilisé un procédé appelé polarisation redox. En termes simples, cela signifie qu'une réaction chimique permet d'ajouter ou de retirer des électrons du dioxyde de vanadium. En appliquant une faible tension — inférieure à celle d'une batterie classique —, il est possible d'activer ou de désactiver le transistor. Cette méthode est moins agressive que d'autres techniques, qui pourraient endommager le matériau et entraîner une usure prématurée des dispositifs.

Lors de tests en laboratoire, les transistors imprimés ont fonctionné sous des tensions aussi faibles que 0,4 à 0,5 volt et ont maintenu leur fonctionnement pendant plus de 6 000 cycles marche/arrêt, une durée de vie bien supérieure à celle des dispositifs imprimés précédents. Les commutateurs ont également présenté une grande réactivité, changeant d'état en une seconde environ.

« Nous avons choisi ces méthodes d’impression pour deux raisons principales », a déclaré Yuepeng Zhang, scientifique spécialisé dans les matériaux chez Argonne.« Premièrement, l'impression permet un prototypage rapide et une conception itérative, ce qui nous aide à optimiser rapidement les matériaux et les structures des dispositifs. Deuxièmement, l'électronique imprimée présente des avantages en termes de fonctionnalité, notamment grâce à une réponse en courant bien modulée en fonction de la tension, ce qui la rend adaptée aux dispositifs logiques imprimés et aux applications de niche. »

Lorsqu'un transistor imprimé était activé par un faible signal de commande de 0,5 volt, il laissait passer environ 50 % d'électricité en plus qu'à l'état bloqué. Autrement dit, le dispositif pouvait augmenter de moitié le courant électrique avec une consommation d'énergie infime. Ceci démontre que le transistor peut contrôler l'électricité de manière fiable en consommant très peu d'énergie, un atout majeur pour la fabrication de dispositifs électroniques basse consommation et flexibles.

Wei Chen, chimiste à Argonne et à l'Université de Chicago, a souligné la durabilité des nouveaux dispositifs.« Le contrôle par oxydoréduction est robuste et n'endommage pas les matériaux, ce qui nous permet d'effectuer des milliers de cycles sans problème », a-t-il déclaré.« Avec les méthodes précédentes, les appareils ne pouvaient fonctionner que quelques fois — parfois seulement 10 cycles — avant de tomber en panne. Nos appareils peuvent effectuer des milliers de cycles sans problème. »

Actuellement, ces transistors imprimés sont plus grands et plus lents que les minuscules puces de silicium présentes dans la plupart des appareils électroniques. Mais cette recherche démontre qu'il est possible de fabriquer des dispositifs performants et basse consommation grâce aux techniques d'impression.

Chen a ajouté,« Selon moi, la prochaine étape concerne les dispositifs logiques. Nous avons pris contact avec des partenaires industriels intéressés par le test de nos dispositifs pour des applications logiques, qui constituent les éléments de base des ordinateurs. C'est un domaine que j'aimerais explorer. »

Ils étudient également comment ces dispositifs imprimés pourraient être utilisés dans l'informatique neuromorphique, un domaine qui imite la façon dont le cerveau humain traite l'information.

Pour que les composants électroniques imprimés passent du laboratoire à la production de biens concrets, les chercheurs estiment qu'une collaboration accrue entre scientifiques et industriels est indispensable. Ils pensent également que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pourraient contribuer à améliorer le processus d'impression et à accélérer le développement.

« L’impression implique de nombreuses variables à ajuster, et l’apprentissage automatique peut nous aider à trouver plus rapidement les meilleurs paramètres », a déclaré Zhang.

Grâce à davantage de recherches et de collaborations, l'électronique hybride imprimée pourrait contribuer à rendre les technologies futures plus flexibles, plus abordables et plus économes en énergie.

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Advanced Materials Technology .

https://www.anl.gov/article/printing-electronic-parts-for-nextgeneration-technologies