Transistor de papel – Inventores: Elvira Fortunato e Rodrigo Martins

agosto 29, 2016 | Foto, Internacional, Mundo

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O uso de papel tanto como um material estrutural e funcional em componentes eletrônicos levará a novas gerações de embalagens inteligentes reciclável, dispositivos médicos e outros produtos

O preço de eletrônicos vem caindo de forma constante ao longo de décadas. Quais eram um luxo artigos de alta tecnologia são agora comuns, e microprocessadores estão sendo incorporados cada vez mais numerosos aparelhos e dispositivos como o prefixo ‘Smart’ torna-se quase paradoxal, para ambos os dispositivos de consumo e cada vez mais, máquinas e ferramentas industriais.

Mas ainda há um ponto de estrangulamento, porque o preço de fazer a eletrônica como eles são não pode ir abaixo de um certo nível. O silício e materiais à base de germânio de que os transistores e os seus produtos derivados, microchips, são feitas têm um custo associado, tanto em termos financeiros e ambientais. Não importa o que as economias de escala são empregadas pelos fabricantes herdeiro, eles ainda necessitam de processamento de alta temperatura e da utilização de produtos químicos que devem ser removidos a partir de resíduos de fábrica ou de outra forma tratados para torná-los inofensivos antes da alta da fábrica. Não importa o quanto a tua barato se tornar, eletrônico não podem ser considerados como descartáveis; e embora seja possível e desejável para recuperar materiais de alto valor, desde eletrônicos desmantelada, eles dificilmente pode ser considerado como totalmente reciclável, também.

Mas isso pode estar prestes a mudar, pelo menos para algumas categorias de produtos eletrônicos – uma categoria totalmente nova, na verdade, onde os dispositivos semicondutores inorgânicos foram substituídos com um familiar, mas mais surpreendente de material: papel.

Professor Elvira Fortunato, um cientista de materiais e engenheiro da Universidade Nova de Lisboa, em Portugal especializada em electrónica transparente, realizada no início desta década que o silício não era necessariamente necessário em transistores. “Existem três tipos de materiais necessários”, explicou ela no evento Award recente Europeu de Inventor Patent Office em sua cidade natal. “Você precisa de condutores: os metais condutores, fios e contatos que você vê em ver em componentes eletrônicos. É preciso semicondutores, é claro, para executar as funções reais do componente. Mas você também precisa isoladores, às vezes chamados dielétricos, que são vitais para a função dos componentes. ”

Em muitos transistores, o dieléctrico é uma camada fina de silício puro, ensanduichada entre camadas de silício que foram ‘dopados’ com quantidades muito pequenas de outros átomos que têm mais ou menos electrões disponíveis em suas camadas mais externas. Onde existem electrões extra, estes flutuador em torno da estrutura de rede atómica de silício e pode ser movido por uma corrente eléctrica. Caso haja menos, eles deixam lacunas que não enfraqueçam a estrutura, mas fornecem outro mecanismo para a carga de viajar através do material. Manipulando a distribuição e fluxo de elétrons livres e lacunas em toda a camada de isolamento é a chave de como transistors- e, por extensão, todos os aparelhos eletrônicos – de trabalho. A camada isolante age como um bloco para o fluxo de electrões, e pode também armazenar electrões; Além disso, as diferenças de carga em ambos os lados da camada isolante influenciar o comportamento das outras camadas por meio de atracção electrostática e repulsão.

realização chave de Fortunato foi que o isolador e semicondutores não tem que ser de silício. Inicialmente, ela e seu marido, Rodrigo Martins, especialista em material de colegas da mesma instituição foram tentando incorporar eletrônicos em papel como material de suporte flexível. Mas, ela fundamentado, talvez o isolador foram um biopolímero como celulose? Isto levou à teoria de que o próprio papel poderia ser parte da estrutura de suporte do componente. E poderia outros semicondutores – por exemplo, óxidos de metais de transição ricos em electrões – trabalho através de uma camada de papel da mesma maneira que dopado trabalho de silício através do material puro?

“Para ser franco, eu pensei que havia uma muito baixa probabilidade de que ele iria trabalhar”, disse Fortunato. “Ele só parecia muito simples.” Mas trabalhar com o marido, Rodrigo Martins, especialista companheiro de material na mesma instituição, Fortunato perguntou um de seus alunos de pós-graduação para testar a idéia com um design simples transistor. “Nós ficamos muito felizes ao descobrir que um logo que foi aplicada uma tensão, corrente fluiu exatamente como faria em um transistor convencional”, disse ela.

A próxima etapa da pesquisa foi usar os semicondutores de óxido de metal como tinta. Suspensão nanopartículas de gálio, índio ou zinco em meio líquido foi simples, ea equipe adaptada uma impressora jato de tinta para usar estas tintas. O papel é revestida com uma camada fina de nano-alumunium, que actua como um condutor que liga os componentes separados, do que os componentes semicondutores são simplesmente impressas em ambos os lados do papel. “Também precisamos de alumínio para ajudar a dissipar o calor gerado como a corrente flui através das camadas de semicondutores”, acrescentou Fortunato. “Isto é muito importante em todos os aparelhos eletrônicos, mas a eletrônica convencional tem alguma capacidade de dissipar o calor; nossos materiais não pode dissipar o calor por conta própria. “precisão de impressão é vital, Martins disse, de modo que os componentes em cada linha lateral-se adequadamente, mas uma grande variedade de componentes podem ser impressos, incluindo células fotoelétricas para alimentar a electrónica, os sensores para moléculas orgânicas, e até mesmo componentes do visor como alfanuméricos, onde uma corrente faz uma camada transparente de tinta opaca. Sistemas tão complexos como circuitos RFID são imprimíveis, disse ele, tudo com papel como o componente de isolamento no sistema.

Um dos grandes sucessos da eletrônica é a miniaturização, que permite que um número muito grande de transistores para ser colocado em único chip – esta é a base dos microprocessadores. Algo semelhante é possível com a eletrônica de papel, disse Matins. “Se você revestir as tintas de semicondutores nas fibras de celulose individuais, e cruze-os uns sobre os outros, você faz um transistor onde elas se cruzam, e que será apenas um par de nanômetros de diâmetro. Tal precisão é muito possível “, disse ele. “E que permite construir circuitos eletrônicos muito complexos.”

No entanto, mesmo Fortunato e Martins admitir as limitações de sua técnica. Um bem como a questão da dissipação de calor, eletrônicos baseados em silício germânio e convencionais são mais eficientes e mais rápido do que os transistores o papel base. “Não podemos substituir o silício e não pretendo; estes sistemas irá trabalhar ao lado “, disse Martins. “Onde eles têm uma vantagem definitiva é em aplicações onde você precisa de números muito grandes.” Os materiais são todos barato e facilmente disponível, e o processamento requer técnicas bem conhecidas e compreendidas que não necessitam de altas temperaturas, vácuo, ambientes ultra-limpos ou gases perigosos. “Para reciclar silício, você precisa de temperaturas superiores a 120 ° C; com sistema eletrônico de papel, você pode simplesmente queimá-lo quando estiver pronto “, acrescentou.

O par acreditam embalagem chapéu de alimentos é provável que seja a maior aplicação inicial da tecnologia. “Pode incorporar sensores na embalagem, para medir a concentração de gases no interior do pacote que indicam a actividade microbiana, e que vai mudar um elemento de afixação para indicar os conteúdos não são mais seguras, ‘disse Fortunato. “Current informações uso-by é efetivamente um palpite; isto virá da medição inequívoco “receptores de rádio impressos, alimentado por células solares que funcionam sob luz artificial, também poderia desencadear mudanças na afixação de preços.; técnicas similares poderiam ser usados para imprimir bilhetes para voos ou trens que se atualizam quando novas informações estiverem disponíveis; mais à frente, movendo-se gráficos em jornais pode ser possível. Se nós chegar a uma versão tecnológica das mágicas fotos em movimento em filmes de Harry Potter é outra questão.

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Elvira Fortunato

Educação

1991 Mestrado em materiais semicondutores Universidade Nova de Lisboa
1995 PhD em microeletrônica e optoeletrônica, como acima

Carreira

1996 manifestante em Ciência dos Materiais Dept, Universidade Nova de Lisboa
1998 Director, Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT)
2012 Professor Titular, Material Ciência Dept, Universidade Nova de Lisboa

Rodrigo Martins

Educação

1977 Mestrado em Ciência dos Materiais da Universidade de Dundee
1982 PhD em economia de energia em semicondutores, Universidade Nova de Lisboa

Carreira

Prof Martins é o chefe de ciência dos materiais na Universidade Nova de Lisboa,
Presidente do Senado da Materials Research Society Europeia, e membro do Conselho Consultivo do Horizonte 2020 em Materiais Avançados, a nanotecnologia ea biotecnologia

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