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可生物降解的柔性硅晶体管

2019年10月11日 文章来源:网络整理 热度:140℃ 作者:刘英

可生物降解的柔性硅晶体管


美国威斯康星大学的研究者们基于一种从木质中提取出来的材料,研制出了一种可生物降解的硅晶体管,为未来绿色廉价的柔性便携式电子器材打开了一扇门。

一片新制的,基于纤维素纳米原纤衬底的微波硅晶体管片。在它丢入木料堆三个星期后,该晶片已经在菌类的作用下部分被分解。

当今,随着新科技不断为人们带来的越来越多的便利,便携式电子产品的用户日益频繁地更新他们的电子用品。2012年美国环境保护局(the U.S.Environmental Protection Agency)的一篇报告表明每年约有一亿五千万移动电子产品被丢弃,其中只有百分之十被回收--由于绝大多数的电子产品是由不可生物降解的高纯度硅材料制成,这些电子产品不仅在制造时耗费了大量的自然资源,被丢弃时也为自然环境造成了大量的垃圾。

近日,威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的研究者们找到了一种减轻电子产品的丢弃为环境所带来的负担的新方法。他们证实了一种从木质中提取出来的材料--纤维素纳米原纤(cellulose nanofibrillated fiber or CNF),能用来制作可生物降解柔性晶体管衬底。该工作为未来绿色廉价的便携式电子产品打开了一扇门。

在一篇本周发表在由美国物理联合会出版的《应用物理快报》的论文中, 研究者们详述了该可生物降解的电子元件。

“我们的研究表明基于纤维素纳米原纤的晶体管展现出与传统的硅材料晶体管同样优秀的性能,”该研究课题的带头人,威斯康星大学麦迪逊分校电子与计算机工程系教授Zhenqiang Ma说。“基于生物材料的晶体管十分安全,你将它们丢到森林里,菌类会很快地将其分解。它们和肥料一样的安全。”

当今,绝大多数电子器件的衬底是由不可再生,不可生物降解的材料如硅片制成,硅片是一种高纯度昂贵坚硬的衬底。 而纤维素纳米原纤衬底则有望取代硅衬底在未来制作环保,价廉的便携式设备或电子器材。

纤维素纳米原纤是由木质制成的一种持久,坚硬,透明的纳米材料。和其他的聚合材料如塑料相比,木制纳米材料具有生物相容性和相对低的温度延展系数,也就是说这种材料在温度变化时不会变形。这些特性使得纤维素纳米原纤成为制作绿色便携式电子器件的绝佳材料。

在制作高性能的电子器件的过程中,Ma的研究组以硅纳米薄膜作为晶体管的活性物质--那是一种从硅晶体上剥离下来的比人的头发丝还要细的超薄膜片,然后将其粘贴到纤维素纳米原纤衬底上,制成柔韧,透明,可生物降解的硅晶体管。

便携式电子器件要求晶体管能够在微波范围内工作,这是绝大多数无线电子器件的工作范围。研究者们于是进行了一系列测试电子元件功能特性的实验比如测量它的电流电压特性,最终证实该可生物降解的晶体管在微波频段范围内的工作性能可以与现有的半导体晶体管相比。

"可生物降解的电子器件为近年来顾客高频率更换便携式电子产品而造成的环境问题提供了新的解决方案,”Ma说。“可以预见的是,未来的电子芯片和便携式电子产品会比今天的更加绿色,也会更加便宜。”

研究人员下一步计划在可生物降解晶体管的基础上,研发更为复杂的电路系统。

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