Completamente a getto d'inchiostro

May 24, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10887 (2022) Citare questo articolo

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In relazione alle tradizionali tecniche di lavorazione basate sul vuoto, la stampa a getto d'inchiostro consente la fabbricazione su larga scala di elementi elettronici di base, come transistor e diodi. Presentiamo i circuiti elettronici flessibili completamente stampati a getto d'inchiostro, incluso l'inverter di tensione organico che può funzionare come porta logica NOT. A questo scopo sono state formulate speciali composizioni di inchiostro per la preparazione dello strato dielettrico di gate contenente poli (4-vinilfenolo) e dello strato semiconduttore poli[2,5-(2-ottildodecil)-3,6-dichetopirrolopirrolo-alt-5,5 -(2,5-di(tien-2-il)tieno [3,2-b]tiofene)]. Come strato attivo dei resistori è stato utilizzato un semiconduttore di poli (3-esiltiofene) fotossidato stampato. Il funzionamento degli inverter stampati e delle porte logiche NOT è stato analizzato in base alle caratteristiche di corrente-tensione CC dei dispositivi. È stata testata anche la resistenza dei dispositivi all'aria atmosferica. Campioni non incapsulati conservati per tre anni in condizioni ambientali. La successiva ricottura per rimuovere l'umidità ha mostrato parametri elettrici invariati rispetto ai campioni appena stampati.

La stampa a getto d'inchiostro è uno dei metodi più promettenti per produrre dispositivi elettronici organici. Poiché il modello stampato può essere modificato facilmente, questo metodo è perfettamente adatto allo sviluppo di prototipi e piccoli dispositivi elettronici interni. Analogamente alle stampanti 3D, le stampanti a getto d'inchiostro possono essere utilizzate per la produzione di elettronica organica su scala industriale, ma anche nelle case e nelle officine per preparare piccoli progetti elettronici. La stampa a getto d'inchiostro non richiede temperature elevate, vuoto, litografia o altri metodi sottrattivi costosi1. Inoltre, gli elementi elettronici possono essere prodotti su fogli flessibili e trasparenti2,3. Innanzitutto, però, è necessario ottimizzare la formula dell’inchiostro e i parametri di stampa4,5,6.

I transistor organici a film sottile (OTFT) stampati interamente a getto d'inchiostro vengono prodotti da molti anni7,8,9,10,11,12. Di solito i parametri elettrici degli OTFT stampati sono generalmente peggiori di quelli dei transistor prodotti con tecniche convenzionali. Tuttavia, il problema principale relativo alla stabilità a lungo termine nel tempo rimane irrisolto13,14. Questo perché la stampa a getto d'inchiostro offre un controllo minore sulla morfologia e sulla sofisticazione dei materiali della pellicola15. Questi problemi devono essere risolti in laboratorio prima che la commercializzazione e l’implementazione pratica della stampa a getto d’inchiostro possa procedere nelle applicazioni industriali e domestiche. La stampa di dispositivi elettronici più complicati richiede ricerche molto precise sul processo di stampa degli strati sulle superfici degli strati precedentemente stampati5,16,17.

Uno degli elementi elettronici più semplici in grado di svolgere una funzione logica utile è un invertitore di tensione che funziona come porta logica NOT. Le porte logiche interamente stampate a getto d'inchiostro possono essere prodotte in due configurazioni: in circuiti con una coppia complementare di transistor di tipo p e di tipo n che funzionano simultaneamente18, o in una configurazione unipolare in cui un transistor e un resistore funzionano in un singolo inverter di tensione. Un transistor con gate ed elettrodi source in cortocircuito viene spesso utilizzato come resistore19,20. Nella maggior parte delle ricerche precedenti sulle porte logiche stampate, la stampa è stata utilizzata per applicare solo uno strato o alcuni strati, ad esempio elettrodi e semiconduttori. Altri strati, come un dielettrico, sono stati depositati mediante altri metodi. Lo strato semiconduttore viene generalmente stampato con inchiostri disponibili in commercio a base di semiconduttori organici o nanotubi di carbonio18,21,22. I dispositivi di stampa interamente a getto d’inchiostro sono ancora rari e uno dei motivi principali è che la tecnologia di stampa a getto d’inchiostro non è ancora sufficientemente padroneggiata. In letteratura sono presenti relativamente pochi resoconti di porte NOT in cui tutti i componenti, come elettrodi, percorsi di corrente e strati dielettrici e semiconduttori, sono stati fabbricati interamente utilizzando la tecnica di stampa a getto d'inchiostro. Porte logiche completamente stampate con strati di semiconduttori applicati a un substrato mediante stampa a getto d'inchiostro con una soluzione TIPS-pentacene sono descritte nei Rif.18,23. I resistori nelle porte logiche sono stati ottenuti collegando il gate e gli elettrodi di source dei transistor. Affinché tali porte logiche funzionino correttamente, la loro resistenza dovrebbe essere molto superiore alla resistenza del canale nello stato acceso e molto inferiore alla resistenza del transistor nello stato spento. Alcuni rapporti mostrano che stampare resistori ad alta resistenza è difficile. Jung et al.24 hanno descritto le proprietà dei resistori fabbricati mediante stampa a getto d'inchiostro utilizzando una miscela di poli (3,4-etilene-1,4-diossitiofene) e polistirene solfonato denominata PEDOT:PSS. I resistori sono stati stampati sotto forma di una linea PEDOT:PSS che collega due elettrodi d'argento. Ciò è stato ottenuto riducendo la concentrazione del polimero e aumentando la spaziatura tra le goccioline nello strato stampato (basso spessore). La stampa di più strati uno sopra l'altro ha consentito una leggera diminuzione della resistenza del resistore risultante. Queste strategie hanno permesso di adattare la sua resistenza in base alle esigenze.