你未來(lái)用的電子設(shè)備，可能是用噴墨打印機(jī)打出來(lái)的

用有機(jī)材料制成的柔性電子設(shè)備一直讓人充滿(mǎn)期待，如果能用打印的方法廉價(jià)快速的制造那就更理想了。

想象一下，你未來(lái)的智能手表和心臟監(jiān)測(cè)裝置將會(huì)由噴墨打印機(jī)打印而成。最近，研究者在打印廉價(jià)可靠的晶體管陣列上已邁出了新的一步，并使用它們完成了一些基礎(chǔ)運(yùn)算。晶體管是現(xiàn)代電子技術(shù)的關(guān)鍵元件，這項(xiàng)研究也許某天會(huì)帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)有機(jī)柔性消費(fèi)電子時(shí)代。

不同于傳統(tǒng)的硅，新的電路將由有機(jī)物，也就是碳基化合物制成。盡管此前已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)結(jié)合噴墨打印機(jī)和其他沉積方法，打印并組裝出有機(jī)電子元件，但這項(xiàng)新的研究整個(gè)制造過(guò)程都只使用了噴墨打印機(jī)。“我不知道還有其他超過(guò)兩層的設(shè)備是只靠噴墨打印機(jī)完成的，”得克薩斯奧斯汀大學(xué)分校電子工程師Ananth Dodabalapur表示，“這是一次很好的示范。”他本人并未參與這個(gè)研究。

新的商業(yè)電子設(shè)備一定是要小巧耐用，適合大批量生產(chǎn)。現(xiàn)如今市場(chǎng)上幾乎所有批量生產(chǎn)的設(shè)備都是基于用硅制成的微芯片，制造商在其上蝕刻出越來(lái)越小的晶體管，而晶體管實(shí)際上是用于形成計(jì)算機(jī)邏輯電路的電子開(kāi)關(guān)。

但 是硅芯片存在一些缺點(diǎn)。硅芯片很硬，因而很難制成柔性的硅基電路。很多人認(rèn)為由有機(jī)材料制成柔性可穿戴的電子元件也許會(huì)開(kāi)發(fā)出電子元件的新應(yīng)用。例如柔性 的電子元件能收集如動(dòng)脈硬化程度這樣的關(guān)鍵醫(yī)療數(shù)據(jù)。這能幫助預(yù)測(cè)心臟病發(fā)作，也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)腦電波用于預(yù)警可能發(fā)作的癲癇。

為了讓這種電子元件兌現(xiàn)其潛力，來(lái)自韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的電子工程師Sungjune Jung和他的同事開(kāi)始研究是否可以簡(jiǎn)單地打印出有機(jī)晶體管的工作網(wǎng)絡(luò)。為了塞入更多的晶體管，他們?cè)O(shè)計(jì)了能被疊放至其他晶體管頂部的晶體管，用于代替在芯片上并排放置的方式，高效的將兩只晶體管放入了原本只容納一只晶體管的空間里。

研究者用噴墨打印機(jī)每次打印出一層3 微米高的電路：在底層，他們用有機(jī)化合物制成電流進(jìn)出一只晶體管的部分，緊接著是控制兩個(gè)晶體管中電流的金屬電極。最上面，則是構(gòu)成另一個(gè)晶體管載流部件 的有機(jī)化合物。研究者還在晶體管層之間放置了一層很薄的聚對(duì)二甲苯保護(hù)材料。此設(shè)備包含超過(guò)100個(gè)晶體管，足以構(gòu)成具備一定運(yùn)算能力（包括加和減）的邏 輯電路。

Jung的設(shè)備達(dá)到了一些關(guān)鍵指標(biāo)。在8個(gè)月之后，所有晶體管依然能工作。對(duì)于壽命很短的有機(jī)電子元件來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)令人印象深刻的成就。此外，相比于動(dòng)輒幾百度高溫的硅晶片生產(chǎn)線，此流程對(duì)溫度的要求不超過(guò)120攝氏度。該團(tuán)隊(duì)將此研究發(fā)表在了ACS Nano期刊上。

然而，這些打印出的設(shè)備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與硅材料競(jìng)爭(zhēng)。該團(tuán)隊(duì)能將五只晶體管裝入一平方毫米的空間里，然而如今計(jì)算機(jī)上的集成電路能在相同空間中塞入數(shù)百萬(wàn)只晶體管。“在晶體管密度方面，我們的技術(shù)和上世紀(jì)六七十年代的硅晶體技術(shù)差不多，那時(shí)最早的微處理器也才剛剛出世。”Jung說(shuō)道。

因?yàn)樗麄冎荚陉U述一種概念而非制造產(chǎn)品原型，Jung 的團(tuán)隊(duì)是在硬玻璃上打印的電路。但是他表示他們已經(jīng)在柔軟的塑料上打印了相同的組件，并且將在近期對(duì)外公布結(jié)果。Dodabalapur也指出，從某些指 標(biāo)看，此新設(shè)備落后于其他研究者已實(shí)現(xiàn)的有機(jī)電路。例如，該團(tuán)隊(duì)使用的計(jì)算邏輯類(lèi)型比其他方法需要更多的晶體管，這就大幅抵消了更緊密地封裝組件的收益。 并且晶體管的操作也相對(duì)緩慢，一致性也不高。此外，盡管在制造過(guò)程中對(duì)每個(gè)步驟都使用噴墨打印機(jī)是有可能實(shí)現(xiàn)的，但Dodabalapur表示：“把自己 局限到一種打印和制造技術(shù)上，我沒(méi)看到任何優(yōu)勢(shì)。”

但是當(dāng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向商業(yè)化的時(shí)候，這類(lèi)的缺陷可能會(huì)被消除，PARC的柔性電子元件專(zhuān)家Janos Veres表示。他稱(chēng)贊這項(xiàng)研究在打印和保護(hù)有機(jī)電路組件時(shí)所展示的新穎方式，并且他設(shè)想的未來(lái)傳感器并不僅僅包含兩層。但大多數(shù)的晶體管，也許需要和硅芯片以及其他技術(shù)協(xié)同工作。他表示：“最終我們一定能實(shí)現(xiàn)微芯片的打印。”

原文鏈接：http://www.sciencemag.org/news/2016/11/your-future-smartwatch-might-be-printed-inkjet-printer