近日，美國杜克大學Aaron D.Franklin 教授研究團隊開發了一個由三種全碳基墨水制成的完全可回收、功能齊全的晶體管。 這種晶體管可以很容易地打印在紙上或其他柔性、環保材料的表面上，開辟了晶體管可回收利用的新道路。
隨著科技的發展，我們使用的電子產品越來越多。 伴隨而來的電子垃圾也在與日俱增。 據統計，到2021年，電子垃圾將達到5220萬噸，成為世界上增長最快的廢物源之一。 未來，世界還向5G網絡、物聯網不斷擴展，電子污染問題只會變得更加嚴重。
近些年，使用后會自然降解的瞬態電子學主要集中在提高材料的生物相容性上，而開發用于回收再利用材料的研究工作則集中在導電材料上，所以忽略了其他電子材料。
因此，這種方法所制備的電子器件在降解后，仍會產生硅基材料和碳基納米材料廢物。 由此，科學家的長期目標是開發出完全可回收的電子產品，對環境和生物有害的成分可以實現重新回收再利用。
近日，美國杜克大學Aaron D.Franklin教授研究團隊發表了最新的研究成果——一個由三種全碳基墨水制成的完全可回收、功能齊全的晶體管。 通過一種介質墨水，這種晶體管可以很容易地打印在紙上或其他柔性、環保材料的表面上。 這是一種被稱為納米纖維素的木質絕緣介質墨水，開辟了晶體管可回收利用的道路。 半導體和導體分別采用碳納米管和石墨烯油墨。
納米纖維素(CNF)是地球上最豐富的可再生納米材料。 通過不同的過程(如酸水解、機械處理、氧化和離子液體處理等)，研究者可以從植物、海洋動物和細菌中提取出形態各異的CNF。 與其他高強度材料相比，納米纖維素原纖具有令人難以置信的強度，這些原纖維高度結晶，抗張強度(σ)為2-7.7 GPa，在力學強度上與凱夫拉纖維相當，強度是鋼材的7倍，但比鋼輕5倍。
實驗中，研究人員發明了一種懸浮納米纖維素晶體的方法，通過灑一點食鹽產生墨水，然后在室溫下使用氣溶膠噴墨印刷技術將其寫入紙張基材上。 在電介質中添加了可移動的鈉離子，極大提高了薄膜晶體管的on態電流(87μA mm-1)和亞閾值擺動(132 mV dec-1)，與沒有添加離子時的電壓掃描速率相比，速率提升了約20倍。
Franklin教授表示，雖然這些材料在印刷電子領域并不新鮮，納米纖維素是生物可降解的，多年來已被應用于外包裝等應用多個領域，但之前還沒有人知道電子產品作為絕緣體可以用于墨水打印中。 這是本項研究完全可回收的關鍵之處。
近年來，印刷電子技術由于其工藝簡單、成本低廉與兼容制造材料范圍廣泛等優點，在大面積柔性電子器件制造領域受到廣泛關注。 電子印刷技術是通過噴印或氣溶膠噴射等方法將含有功能材料的油墨轉移到襯底上。 目前，有機材料、金屬氧化物、金屬納米材料和碳基材料均可用于制備功能性墨水。 其中，半導體碳納米管(CNT)印刷薄膜具有很高的電氣性能、顯著的機械穩定性和低溫處理的兼容性。 然而，CNT薄膜晶體管(CNT-TFTs)因受限于介電層和接觸層的較高工藝溫度要求，一直難以實現全晶體管低溫印刷。
然而，氣溶膠噴印技術實現了在低溫(最高暴露溫度≤80°C)條件下一維-二維薄膜晶體管(1D-2D TFTs)的全印過程。 在此項工作中，全印刷1D-2D TFTs的開關電流比達3.5×105，溝道遷移率達10.7 cm2·V–1·s–1，在彎曲狀態下具有良好的機械穩定性。 在1000次循環彎曲測試后(2.1%應變)后性能幾乎沒有變化。
半導體碳納米管的一維溝道、二維六方氮化硼(h-BN)的柵極和微量銀納米線的導電電極，均使用同一臺打印機沉積。 通過適當的油墨配方，如利用粘合劑羥丙基甲基纖維素，可有效抑制相鄰印刷層之間的再分散，從而實現了氣溶膠噴射閥印制二維h-BN薄膜。
研究人員發現，通過向水性油墨中添加0.15 mM氯化鈉(NaCl)，可以改善晶體納米纖維素的介電性能，從而提高晶體管掃描速率(600 mV/s)，較低的亞閾值擺幅(SS，132 mV/dec)。 為了說明這種全碳電子產品的功能，薄膜晶體管被用于創建全印刷紙質生物傳感器，可用于乳酸鹽感測，該傳感器顯示出與敗血性休克診斷有關的濃度靈敏度范圍。 在正常工作環境下，晶體管器件能夠穩定工作6個月，并且能夠可控分解，其中的石墨烯和碳納米管油墨可以回收再利用(回收效率>95%)。 基于回收材料，還能夠重新制備新的晶體管器件。
研究團隊通過一系列實驗證明了晶體管的可回收。 通過將設備浸入浴槽中，用聲波輕輕振動它們，并離心取得溶液，碳納米管和石墨烯被依次回收，平均收回率接近100%。 這兩種材料可以在相同的印刷過程中重復使用，并且性能損失較小。 由于納米纖維素是由木材制成，它可以與打印的紙張一起回收利用。
與電阻器或電容器相比，晶體管是一種相對復雜的計算機元件，用于功率控制或邏輯電路和各種傳感器等設備中。Franklin教授表示，第一步是希望這一技術能夠制成簡單的商用設備。 其中包括兩種可能：一種是環境傳感器，用于監測大型建筑物的能源消耗情況; 一種是為跟蹤醫療狀況，定制生物傳感補丁。
Franklin教授說：“像這樣的可回收電子產品不可能取代整個5萬億美元的產業，基于硅的計算機組件可能永遠不會消失，而且我們肯定離印刷可回收計算機處理器還差得遠。 但是，這些新型材料和技術有望成為新型電子產品的正確發展方向。 ”
目前，這項工作已經得到了美國國防部國會醫學研究項目的支持，并且與美國國立衛生研究院和美國空軍科研辦公室等科研機構展開了合作。
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