En el proyecto FOXIP, dos equipos de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) intentaron imprimir transistores de película fina con óxidos metálicos sobre materiales sensibles al calor como el papel y el PET. Al final no se consiguió el objetivo, pero los implicados consideran que el proyecto fue un éxito, gracias a una nueva tinta de impresión y a un transistor con efecto memoria.
Sin duda, el listón estaba muy alto: En el proyecto de investigación "Óxidos funcionales impresos en polímeros y papel" - FOXIP para abreviar - el objetivo era imprimir transistores de película fina en sustratos de papel o láminas de PET. Los circuitos electrónicos con este tipo de elementos desempeñan un papel importante en la creciente Internet de los objetos, por ejemplo como sensores en documentos, botellas y envases.
Si fuera posible fabricar estos transistores con óxidos metálicos inorgánicos, se abrirían nuevos horizontes. En comparación con materiales orgánicos como los polímeros semiconductores poliofenos, explica el director del proyecto, Yaroslav Romanyuk, del Laboratorio de Películas Finas y Fotovoltaica de Empa, los electrones de estos materiales son mucho más móviles. Por tanto, podrían aumentar considerablemente el rendimiento de estos elementos y no necesitan protegerse de la influencia del aire y la humedad con costosos encapsulados.
El calor como reto
El problema de las tintas con óxidos metálicos: Para que se conviertan en un transistor estable, tienen que sinterizarse después de la impresión, normalmente en un horno. Como alternativa, se puede utilizar la luz para secar y sinterizar, por ejemplo con radiación ultravioleta de onda baja o una lámpara de xenón: la capa impresa se calienta con destellos de luz muy cortos para proteger el material portador. A continuación, se eliminan del material el agua, los disolventes y los aglutinantes.
Un empleado del Centro de Competencia en Recubrimientos (CCC) de Empa trabaja en una impresora de chorro de tinta utilizada para componentes electrónicos impresos
Sin embargo, estos procesos calientan el material de soporte hasta 200 grados, demasiado calor para el papel o el PET, que ya empieza a perder su resistencia a menos de 80 grados, mientras que otros plásticos, como las poliimidas, pueden soportar temperaturas mucho más altas.
De 2017 a 2021, expertos de Empa, el "Laboratorio de Transductores Blandos" de la École Polytechnique Féderale Lausanne (EPFL) y el "Grupo de Nanotecnología de Polímeros" del Instituto Paul Scherrer trabajaron en todos los pasos del proceso en un proyecto de la iniciativa de investigación "Strategic Focus Area - Advanced Manufacturing" (SFA-AM), puesta en marcha por el Consejo de la ETH: Por ejemplo, en recubrimientos para alisar la superficie del papel, pero también en formulaciones de tinta, irradiación... - y logró bastantes avances. Sin embargo, el "último deseo", como dice Yaroslav Romanyuk, de imprimir transistores funcionales de película fina en papel no se materializó: las temperaturas eran demasiado altas, el material demasiado rugoso. Y los transistores impresos en películas de polímero tenían un rendimiento eléctrico demasiado bajo.
Muchas sorpresas
Flexibles pero robustos: los circuitos electrónicos sobre una película de poliimida del laboratorio Empa forman transistores sinápticos¿Decepcionado? No, dice Jakob Heier, del departamento de Polímeros Funcionales de Empa: "El proyecto no fue en absoluto un fracaso". No sólo por los nuevos conocimientos sobre detalles técnicos, sino también por los inesperados resultados secundarios: "Fue un proyecto muy emocionante con muchas sorpresas". Por ejemplo, hubo un incidente que iba a tener consecuencias: con el material grafeno: carbono conductor en capas finas como átomos, que también es muy adecuado para transistores impresos en láminas flexibles.
Un estudiante de doctorado del equipo no estaba satisfecho con el hecho de que las tintas de grafeno ya no pudieran imprimirse a concentraciones más altas: Las partículas se agregan, se apelmazan, y así no se puede formar una película fina. En lugar de utilizar un solo disolvente, el empleado probó con una emulsión especial de grafeno y tres disolventes. Pero este recubrimiento también falló al primer intento. Sin embargo, cuando la tinta se mezcló uniformemente en el siguiente intento y luego se sometió a ligeras fuerzas de cizallamiento, la impresión tuvo éxito.
Curiosos, los expertos investigaron el fenómeno y descubrieron que las fuerzas de cizallamiento cambian fundamentalmente la estructura de la tinta. Los finos foliolos de grafeno del líquido se reforman, de modo que ahora entran en acción las fuerzas de van der Waals: fuerzas de atracción relativamente débiles entre átomos o moléculas. El resultado es una tinta gelatinosa, sin agentes aglutinantes como los polímeros, que garantizan que el líquido conserve su consistencia y no se separe.
Un proceso con potencial de mercado
Una solución con ventajas prácticas que también funciona a temperatura ambiente; la tinta se seca sin calentarse. Resulta que este tipo de tintas van der Waals pueden producirse no sólo con grafeno, sino también con otras sustancias bidimensionales para impresión. Desde entonces, el proceso se ha patentado y, según los expertos, algunas empresas ya están mostrando interés en producir las codiciadas tintas, todo ello tras una coincidencia que el equipo persiguió con sana curiosidad. No fue la única sorpresa del proyecto FOXIP, como explica Yaroslav Romanyuk. Un transistor de efecto campo con una capa aislante de óxido de aluminio, que se imprimió en experimentos sobre un plástico de poliimida resistente al calor, reveló un comportamiento extraño. En lugar de una señal constante, que habría sido lo esperado, se produjeron ondas crecientes: La señal de salida se hacía más fuerte porque "recordaba" señales entrantes anteriores. "En realidad, esto no es deseable cuando un transistor tiene tanta memoria", explica Romanyuk.
Tinta Van der Waals con la consistencia adecuada para la impresión por extrusión
Sin embargo, un estudiante del equipo tuvo la idea de utilizar el fenómeno de otra manera: Un transistor con este efecto de memoria funciona de forma similar a los circuitos del cerebro humano: las sinapsis entre células nerviosas no sólo transmiten señales, sino que también las almacenan. Por tanto, un transistor sináptico de este tipo podría ser interesante para la visión de ordenadores que imiten el cerebro humano. Pero, ¿qué podría hacer?
Con la ayuda de Mozart
Para explorar su potencial, el equipo construyó una copia electrónica del proceso auditivo humano junto con el transistor de película fina, y lo alimentó con una melodía favorita de Mozart: Rondo Alla Turca de la Sonata nº 11 en La mayor. "Se suponía que era una pieza animada", dice Romanyuk con una sonrisa. Este experimento y otros análisis demostraron que la función sináptica del transistor se mantiene desde unos pocos hercios hasta casi 50.000 hercios, un ancho de banda significativamente mayor que el de transistores impresos comparables.
A diferencia de la tinta impresa sin aglutinante, esta investigación básica, que el equipo publicó en la revista en línea "Scientific Reports", no tiene aún aplicaciones concretas a la vista. Pero en el camino hacia nuevas tecnologías informáticas, los hallazgos pueden ser un paso útil que llegó por sorpresa, como ha ocurrido a menudo en la historia de la ciencia.
Para Romanyuk y muchos otros investigadores, estas coincidencias son la guinda del pastel, sobre todo en proyectos que se sitúan en los límites de lo factible. "Nos ponemos deliberadamente metas muy altas", dice, "¡las coincidencias juegan un papel muy importante! Te propones un gran reto y luego, de repente e inesperadamente, estas coincidencias simplemente suceden".
Centro de competencia para revestimientos
Cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la producción industrial de revestimientos: Ese es el objetivo del Centro de Competencia de Recubrimientos (CCC) de Empa. Allí se investiga no sólo en electrónica impresa, sino también en materiales, procesos y tecnologías de recubrimientos: Métodos con los que se depositan capas finas por vapor sobre sustratos, o fabricación aditiva, en la que los componentes se construyen capa a capa. El CCC está organizado como una "asociación público-privada": La idea es que todos los socios de la cadena de valor, desde la ciencia hasta la industria, trabajen juntos para desarrollar nuevas tecnologías y encontrar soluciones creativas.
