全碳基可回收电子产品获突破

全碳基可回收电子产品获突破。

随着科技的发展，我们使用的电子产品越来越多。伴随而来的电子垃圾也在与日俱增。据统计，到2021年，电子垃圾将达到5220万吨，成为世界上增长最快的废物源之一。未来，世界还向5G网络、物联网不断扩展，电子污染问题只会变得更加严重。

近些年，使用后会自然降解的瞬态电子学主要集中在提高材料的生物相容性上，而开发用于回收再利用材料的研究工作则集中在导电材料上，所以忽略了其他电子材料。

因此，这种方法所制备的电子器件在降解后，仍会产生硅基材料和碳基纳米材料废物。由此，科学家的长期目标是开发出完全可回收的电子产品，对环境和生物有害的成分可以实现重新回收再利用。

近日，美国杜克大学Aaron D.Franklin教授研究团队发表了最新的研究成果——一个由三种全碳基墨水制成的完全可回收、功能齐全的晶体管。通过一种介质墨水，这种晶体管可以很容易地打印在纸上或其他柔性、环保材料的表面上。这是一种被称为纳米纤维素的木质绝缘介质墨水，开辟了晶体管可回收利用的道路。半导体和导体分别采用碳纳米管和石墨烯油墨。

纳米纤维素（CNF）是地球上最丰富的可再生纳米材料。通过不同的过程（如酸水解、机械处理、氧化和离子液体处理等），研究者可以从植物、海洋动物和细菌中提取出形态各异的CNF。与其他高强度材料相比，纳米纤维素原纤具有令人难以置信的强度，这些原纤维高度结晶，抗张强度（σ）为2-7.7 GPa，在力学强度上与凯夫拉纤维相当，强度是钢材的7倍，但比钢轻5倍。

实验中，研究人员发明了一种悬浮纳米纤维素晶体的方法，通过洒一点食盐产生墨水，然后在室温下使用气溶胶喷墨印刷技术将其写入纸张基材上。在电介质中添加了可移动的钠离子，极大提高了薄膜晶体管的on态电流(87μA mm-1)和亚阈值摆动(132 mV dec-1)，与没有添加离子时的电压扫描速率相比，速率提升了约20倍。

Franklin教授表示，虽然这些材料在印刷电子领域并不新鲜，纳米纤维素是生物可降解的，多年来已被应用于外包装等应用多个领域，但之前还没有人知道电子产品作为绝缘体可以用于墨水打印中。这是本项研究完全可回收的关键之处。

近年来，印刷电子技术由于其工艺简单、成本低廉与兼容制造材料范围广泛等优点，在大面积柔性电子器件制造领域受到广泛关注。电子印刷技术是通过喷印或气溶胶喷射等方法将含有功能材料的油墨转移到衬底上。目前，有机材料、金属氧化物、金属纳米材料和碳基材料均可用于制备功能性墨水。其中，半导体碳纳米管（CNT）印刷薄膜具有很高的电气性能、显著的机械稳定性和低温处理的兼容性。然而，CNT薄膜晶体管（CNT-TFTs）因受限于介电层和接触层的较高工艺温度要求，一直难以实现全晶体管低温印刷。

然而，气溶胶喷印技术实现了在低温（最高暴露温度≤80°C）条件下一维-二维薄膜晶体管（1D-2D TFTs）的全印过程。在此项工作中，全印刷1D-2D TFTs的开关电流比达3.5×105，沟道迁移率达10.7 cm2·V–1·s–1，在弯曲状态下具有良好的机械稳定性。在1000次循环弯曲测试后（2.1%应变）后性能几乎没有变化。

半导体碳纳米管的一维沟道、二维六方氮化硼（h-BN）的栅极和微量银纳米线的导电电极，均使用同一台打印机沉积。通过适当的油墨配方，如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素，可有效抑制相邻印刷层之间的再分散，从而实现了气溶胶喷射阀印制二维h-BN薄膜。

研究人员发现，通过向水性油墨中添加0.15 mM氯化钠（NaCl），可以改善晶体纳米纤维素的介电性能，从而提高晶体管扫描速率（600 mV/s），较低的亚阈值摆幅（SS，132 mV/dec）。为了说明这种全碳电子产品的功能，薄膜晶体管被用于创建全印刷纸质生物传感器，可用于乳酸盐感测，该传感器显示出与败血性休克诊断有关的浓度灵敏度范围。在正常工作环境下，晶体管器件能够稳定工作6个月，并且能够可控分解，其中的石墨烯和碳纳米管油墨可以回收再利用(回收效率>95%)。基于回收材料，还能够重新制备新的晶体管器件。

研究团队通过一系列实验证明了晶体管的可回收。通过将设备浸入浴槽中，用声波轻轻振动它们，并离心取得溶液，碳纳米管和石墨烯被依次回收，平均收回率接近100%。这两种材料可以在相同的印刷过程中重复使用，并且性能损失较小。由于纳米纤维素是由木材制成，它可以与打印的纸张一起回收利用。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机元件，用于功率控制或逻辑电路和各种传感器等设备中。

Franklin教授表示，第一步是希望这一技术能够制成简单的商用设备。其中包括两种可能：一种是环境传感器，用于监测大型建筑物的能源消耗情况;一种是为跟踪医疗状况，定制生物传感补丁。

Franklin教授说：“像这样的可回收电子产品不可能取代整个5万亿美元的产业，基于硅的计算机组件可能永远不会消失，而且我们肯定离印刷可回收计算机处理器还差得远。但是，这些新型材料和技术有望成为新型电子产品的正确发展方向。”

目前，这项工作已经得到了美国国防部国会医学研究项目的支持，并且与美国国立卫生研究院和美国空军科研办公室等科研机构展开了合作。

编译自杜克大学官网

（责任编辑 姜懿翀）