你将学习:
- 碳和纤维素基材料如何被用于印刷晶体管的油墨。
- 各油墨配方在多层喷墨打印工艺中的作用。
- 这些晶体管如何被回收，它们的组成部分如何被重用。
- 这些设备的性能与其他打印活动设备相比如何。
在回收电子产品的许多成分材料(包括贵金属)方面，人们有很多兴趣，也取得了一些进展，甚至取得了一定的成功，但集成电路本身的“浪费”仍然是需要解决的问题。现在，杜克大学的一个团队已经开发和测试了使用油墨和喷墨打印机的可打印电子产品。
他们的设备显示，打印出来的全碳电子产品中的所有材料都是完全可回收的，包括纸质衬底、半导体碳纳米管、导电石墨烯和绝缘晶体纳米纤维素。石墨烯和碳纳米管墨水不仅在可控制分解的环境条件下，在六个月的时间里表现出稳定的性能，而且石墨烯和碳纳米管墨水甚至可以回收利用(>95%的回收效率)和重新打印新的晶体管。
由电气和计算机工程的Addy教授Aaron Franklin领导的团队展示了一种完全可回收的、全功能的晶体管，由三种碳基墨水制成，他们将其印在纸上和其他柔性、环保的表面上。碳纳米管和石墨烯墨水分别用于半导体和导体。富兰克林指出，这些材料在印刷电子领域并不新鲜，但一种名为纳米纤维素的木材绝缘介质墨水的开发，为可回收利用开辟了一条道路。
富兰克林说:“纳米纤维素是可生物降解的，多年来一直被用于包装等领域。”“虽然人们很早就知道它作为电子绝缘体的潜在应用，但之前还没有人知道如何在可打印墨水中使用它。这是让这些完全可回收设备发挥作用的关键之一。”
对于绝缘体，研究人员开发了一种方法，悬浮从木材纤维中提取的纳米纤维素晶体，再加上一种普通盐，就能产生一种油墨，在打印出来的晶体管中起到绝缘体的作用。在室温(20°C)下，在直写式喷墨打印机中使用这三种墨水，研究小组显示，他们的全碳晶体管在各种应用中表现良好。
利用他们的晶体纳米纤维素(CNC)介质墨水，全碳薄膜晶体管(TFTs)被印刷在纸衬底上，衬底上有石墨烯源/漏/栅电极和碳纳米管(CNT)通道(图1)．有四种不同的油墨，分别用于石墨烯、半导体碳纳米管、晶体纳米纤维素和银纳米线印刷。他们还打印了一个电容和一个乳酸传感器;后者在医疗应用中很有用。
他们在一个特殊的装置中评估了短期和长期的表现(图2)．
富兰克林教授补充说，之前的报告声称“全碳”电子实际上包含了无机成分，只关注碳质通道和电极。然而，在他们的tft中印刷的CNC栅极电介质产生了一个真正的全碳设备，他们称之为“全碳可回收电子产品”(ACRE)。他们还将他们的打印设备的性能与其他研究人员报告的其他设备进行了比较(图3)．
那么回收/重用方面的考虑呢?通过将他们的设备浸入一系列的浴池中，用声波轻轻地振动它们，然后将得到的溶液离心，碳纳米管和石墨烯依次回收，平均收率接近100%。这两种材料可以在相同的打印过程中重复使用，同时几乎不会损失它们的性能可行性，而且由木材制成的纳米纤维素可以简单地与打印它的纸张一起回收利用(图4)．
富兰克林解释说，通过展示一种完全可回收的、多功能的印刷晶体管，他希望向将这种技术商业化应用于简单设备迈出第一步。例如，该技术可以在需要数千个简单的环境传感器来监测能源使用的大型建筑中发挥作用，或在定制的生物传感补丁中跟踪医疗状况。
他们发表在电子性质”使用晶体纳米纤维素电介质的可打印和可回收的碳电子产品，讨论他们是如何设计这个想法和开发特定的油墨的，包括基本原理、修改和测试(这是收费墙，但公开的版本是公开的在这里)．此外，还有一段打印的短视频在这里．此外,“补充信息张贴表明团队确实做了功课，因为它提供了一个详细的表格，列出了其他28个类似的项目及其参考引用，以及每个项目的关键技术属性和规格，以证明为什么他们的方法是一个明显的改进。也许有一天，“印刷电路”真的会这样制造出来?
