La recherche a été publiée en ligne le 28 février dans la revue Nano-lettres.

L’un des principaux défis auxquels est confronté tout fabricant d’électronique est de réussir à sécuriser plusieurs couches de composants les unes sur les autres, ce qui est crucial pour fabriquer des appareils complexes. Faire en sorte que ces couches collent ensemble peut être un processus frustrant, en particulier pour l’électronique imprimée.

« Si vous faites un sandwich au beurre de cacahuète et à la gelée, une couche sur l’une ou l’autre tranche de pain est facile », a expliqué Aaron Franklin, professeur Addy de génie électrique et informatique à Duke, qui a dirigé l’étude. « Mais si vous mettez d’abord la gelée et que vous essayez ensuite d’étaler du beurre de cacahuète dessus, oubliez ça, la gelée ne restera pas en place et se mélangera avec le beurre de cacahuète. Mettre les couches les unes sur les autres n’est pas aussi facile comme les mettre par eux-mêmes – mais c’est ce que vous devez faire si vous voulez construire des appareils électroniques avec impression. »

Dans des travaux antérieurs, Franklin et son groupe ont démontré la première électronique imprimée entièrement recyclable. Les dispositifs utilisaient trois encres à base de carbone : des nanotubes de carbone semi-conducteurs, du graphène conducteur et de la nanocellulose isolante. En essayant d’adapter le processus original pour n’utiliser que de l’eau, les nanotubes de carbone ont présenté le plus grand défi.

Pour fabriquer une encre à base d’eau dans laquelle les nanotubes de carbone ne s’agglutinent pas et se répartissent uniformément sur une surface, un tensioactif similaire à un détergent est ajouté. L’encre résultante, cependant, ne crée pas une couche de nanotubes de carbone suffisamment dense pour qu’un courant élevé d’électrons puisse traverser.

« Vous voulez que les nanotubes de carbone ressemblent à des spaghettis al dente éparpillés sur une surface plane », a déclaré Franklin. « Mais avec une encre à base d’eau, ils semblent plus avoir été pris un par un et jetés sur un mur pour vérifier la cuisson. Si nous utilisions des produits chimiques, nous pourrions simplement imprimer plusieurs passages encore et encore jusqu’à ce qu’il y ait Il y avait suffisamment de nanotubes. Mais l’eau ne fonctionne pas de cette façon. Nous pourrions le faire 100 fois et il y aurait toujours la même densité que la première fois.

En effet, le tensioactif utilisé pour empêcher les nanotubes de carbone de s’agglutiner empêche également les couches supplémentaires d’adhérer à la première. Dans un processus de fabrication traditionnel, ces tensioactifs seraient éliminés à l’aide de températures très élevées, qui consomment beaucoup d’énergie, ou de produits chimiques agressifs, qui peuvent présenter des risques pour la santé humaine et environnementale. Franklin et son groupe voulaient éviter les deux.

Dans l’article, Franklin et son groupe développent un processus cyclique dans lequel l’appareil est rincé à l’eau, séché à une chaleur relativement faible et imprimé à nouveau. Lorsque la quantité de tensioactif utilisée dans l’encre est également réduite, les chercheurs montrent que leurs encres et procédés peuvent créer des transistors entièrement fonctionnels, entièrement recyclables et entièrement à base d’eau.

Comparé à une résistance ou à un condensateur, un transistor est un composant informatique relativement complexe utilisé dans des dispositifs tels que la commande de puissance ou des circuits logiques et des capteurs. Franklin explique qu’en faisant d’abord la démonstration d’un transistor, il espère signaler au reste du domaine qu’il existe une voie viable pour rendre certains processus de fabrication électronique beaucoup plus respectueux de l’environnement.

Franklin a déjà prouvé que près de 100% des nanotubes de carbone et du graphène utilisés dans l’impression peuvent être récupérés et réutilisés dans le même processus, en perdant très peu de substances ou de viabilité de leurs performances. Parce que la nanocellulose est fabriquée à partir de bois, elle peut simplement être recyclée ou biodégradée comme le papier. Et bien que le processus utilise beaucoup d’eau, ce n’est pas autant que ce qui est nécessaire pour traiter les produits chimiques toxiques utilisés dans les méthodes de fabrication traditionnelles.

Selon une estimation des Nations Unies, moins d’un quart des millions de livres d’appareils électroniques jetés chaque année sont recyclés. Et le problème ne fera que s’aggraver à mesure que le monde passera éventuellement aux appareils 6G et que l’Internet des objets (IoT) continuera de se développer. Donc, toute brèche qui pourrait être faite dans cette montagne croissante de déchets électroniques est importante à poursuivre.

Alors que davantage de travail doit être fait, Franklin dit que l’approche pourrait être utilisée dans la fabrication d’autres composants électroniques comme les écrans et les écrans qui sont maintenant omniprésents dans la société. Chaque écran électronique a un fond de panier de transistors à couche mince similaire à ce qui est démontré dans le document. La technologie de fabrication actuelle est à haute énergie et repose sur des produits chimiques dangereux ainsi que sur des gaz toxiques. L’ensemble de l’industrie a été signalé pour une attention immédiate par l’Agence américaine de protection de l’environnement. [https://www.epa.gov/climateleadership/sector-spotlight-electronics]

« Les performances de nos transistors à couches minces ne correspondent pas aux meilleurs actuellement fabriqués, mais ils sont suffisamment compétitifs pour montrer à la communauté des chercheurs que nous devrions tous faire plus de travail pour rendre ces processus plus respectueux de l’environnement », a déclaré Franklin.

Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (1R01HL146849), l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0466) et la National Science Foundation (ECCS-1542015, Graduate Research Fellowship 2139754).