NeoFronteras

Una nueva técnica de impresión de choro de tinta produce semiconductores cristalinos que pueden ser usados para crear circuitos transistorizados y otros dispositivos.

Todos hemos tenido alguna vez una impresora de chorro de tinta. Quizás, después de darnos cuenta del fraude económico que significa usar una de ellas hemos optado por tirarla y comprar una de diferente tipo. Pero la tecnología de chorro de tinta puede ser muy útil para otras funciones.
Ya vimos en NeoFronteras que esta tecnología puede servir para crear órganos con células vivas o para crear circuitos electrónicos.
Ahora, nuevos avances en esta tecnología van a permitir la creación económica de células solares, monitores ultraplanos, papel electrónico, etc. Un equipo de investigadores japoneses ha conseguido imprimir con esta técnica monocristales y crear con ellos transistores delgados a temperatura ambiente.
La materia sólida se suele organizar en estructuras cristalinas. Suele ser la forma habitual en la que encontramos metales y minerales. Las formas amorfas (no cristalinas) suelen ser menos frecuentes, pero el vidrio de la ventana es un ejemplo. Es decir, un cristal no es necesariamente transparente ni todo lo transparente es un cristal. Un cristal tiene sus átomos ordenados en una red cristalina autorrepetida.
Pero así como lo habitual es encontrarse la estructura cristalina también es verdad que se suele encontrarse en forma de policristales, un conjunto de cristales ordenados al azar separados por fronteras de grano. Si queremos usar una sustancia semiconductora en los circuitos electrónicos necesitamos que esté en forme de monocristal, un sólo cristal con todos sus átomos ordenados de la misma manera. Si los electrones se encuentran con fronteras de grano u otros defectos cristalinos encuentran dificultades de movimiento y las propiedades electrónicas no son buenas.
Otras veces es complicado que una sustancia cristalice y hay que desarrollar técnicas para lograrlo. Por defecto producen un material amorfo que tampoco se comporta bien desde el punto de vista electrónico.
En la industria de semiconductores se hacen crecer monocristales de silicio muy grandes a partir de una semilla en silicio fundido. Luego, una vez enfriado, se cortan obleas sobre las que se crean los circuitos, así se trata de garantizar buenas propiedades electrónicas.
Lo malo de usar la tecnología de “chorro de tinta” para crear circuitos es que el material depositado suele tener propiedades cristalinas pobres. Esto reduce la movilidad de las cargas en el material y se degrada el funcionamiento del dispositivo construido de esta manera.
Tatsuo Hasegawa y sus colaboradores han conseguido desarrollar una técnica que permite que en el proceso de impresión haya una buena cristalización.
Para ello utilizan un semiconductor disuelto en un disolvente y un líquido (un antidisolvente) en el que el semiconductor no puede disolverse. El método produce monocristales o policristales excepcionalmente uniformes en forma de láminas delgadas que crecen en la interfase líquido aire sobre un substrato.
Hasta ahora era muy difícil producir con este tipo de tecnología semiconductores uniformes en forma de lámina delgada con buena estructura cristalina debido a la auto-cristalización.
En este sistema los investigadores han usado una impresora de “chorro de tinta” piezoeléctrica con doble de inyectores que las normales que envían las gotitas (de 60 picolitros) de líquido a una frecuencia de 500 Hz. En el proceso el antisolvente se imprime primero con un inyector y luego inmediatamente se sobreimprimite la “tinta” que contiene el semiconductor orgánico (C₈BTBT) disuelto con el otro inyecto. Las gotas se mezclan sobre la superficie del substrato.
A través del microscopio óptico se puede observar como entonces se empiezan a formar pequeños cuerpos flotantes sobre la superficie. Cada cuerpo actúa como núcleo de cristalización que crece en tamaño. Finalmente estos cuerpos cubren toda la superficie para formar una capa sólida de C₈BTBT antes de que se evaporen los disolventes. Una vez evaporado el líquido se forma una capa de semiconductora de C₈BTBT de 30-200 nm de grosor pegada a la superficie del substrato. La clave de todo el proceso es que los cristales se forman lentamente. Según Hasegawa esto se debería a que las microgotas en flujo laminar dominan sobre las de flujo turbulento en el chorro inyectado.
A partir de este material los investigadores pueden crear transistores. El dispositivo final tiene una movilidad carga final de 16.4 cm²/Vs. Esta cifra coloca al dispositivo dentro de los de alto rendimiento, categoría que comienza a los 10 cm²/Vs. El ratio off-on es también alto, con un valor entre 10⁵ y 10⁷.
Estas propiedades colocan el rendimiento de este tipo de dispositivos por encima todos los transistores de C₈BTBT anteriores y es comparable a otros sistemas monocristalinos.
El equipo planea ahora optimizar todo el proceso y de adaptar la técnica para imprimir cables metálicos de tal modo que se produzca todo el circuito con la misma técnica de impresión.
Quizás en un futuro relativamente cercano veamos pantallas, paneles solares o dispositivos ultrabaratos ultradelgados y enrollables realizados de este modo. ¿Se imagina el lector un portátil enrollable?

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Fuentes y referencias:
Nota en phtsics World.
Nota de prensa.
Artículo original.
Vídeo en Yputube sobre el proceso.