Dentro do projeto Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP), pesquisadores do Empa, EPFL e do Paul Scherrer Institute tentaram imprimir transistores de filme fino com óxidos metálicos em materiais sensíveis ao calor, como papel ou PET. O objetivo acabou não sendo alcançado, mas os envolvidos consideram o projeto um sucesso - por causa de uma nova tinta de impressão e um transistor com "efeito memória".
A fasquia foi, sem dúvida, elevada:o objetivo era ter sucesso na impressão de transistores de filme fino em substratos de papel ou filmes PET. Circuitos eletrônicos com esses elementos desempenham um papel importante na crescente Internet das Coisas (IoT), por exemplo, como sensores em documentos, garrafas, embalagens – um mercado global que vale bilhões.

Se fosse viável fabricar esses transistores com óxidos metálicos inorgânicos, isso abriria uma infinidade de novas possibilidades. Em comparação com materiais orgânicos, como o polímero semicondutor politiofeno, explica o líder do projeto Yaroslav Romanyuk, do Laboratório de Filmes Finos e Fotovoltaicos da Empa, os elétrons nesses materiais são muito mais móveis. Eles poderiam, portanto, aumentar significativamente o desempenho de tais elementos e não precisariam ser protegidos contra ar e umidade com encapsulamento caro.

O calor como desafio

Há um problema com tintas que contêm óxidos metálicos:para formar um transistor estável, os materiais devem ser sinterizados após a impressão – normalmente em um forno. Alternativamente, a secagem e a sinterização podem ser feitas com luz – por exemplo, com radiação ultravioleta de baixa onda ou uma lâmpada de xenônio. A camada impressa é aquecida com flashes de luz muito curtos para proteger o substrato. Água, solventes e ligantes deixam o material no processo.

No entanto, esses processos aquecem o substrato a até 200 graus – muito quente para papel ou PET, que começa a perder sua resistência em temperaturas em torno de 80 graus, enquanto outros plásticos, como poliimidas, podem suportar temperaturas muito mais altas.

De 2017 a 2021, em um projeto da "Área de Foco Estratégico—Manufatura Avançada" (SFA-AM) iniciado pela Diretoria da ETH, especialistas do Empa, Laboratório de Transdutores Suaves da EPFL e do Grupo de Nanotecnologia de Polímeros do Instituto Paul Scherrer (PSI) trabalharam juntos em todas as etapas do processo - por exemplo, revestimentos para suavizar a superfície do papel, formulações de tinta, irradiação etc. - e progrediram bastante.

Mas seu "desejo final", como diz Romanyuk, de imprimir transistores de filme fino funcionais em papel, não se tornou realidade. As temperaturas do processo ainda estavam muito altas, o material muito áspero. E os transistores impressos em filmes de polímeros tiveram uma saída elétrica muito baixa.

Espere o inesperado

Decepcionado? Não, diz Jakob Heier do laboratório de Polímeros Funcionais da Empa. "O projeto não foi de forma alguma um fracasso." Não apenas por causa de novos insights sobre detalhes técnicos, mas por causa de "resultados secundários" inesperados.

"Este foi um projeto muito emocionante com muitas surpresas", diz Heier, lembrando um incidente que teria consequências. Envolveu o material grafeno, carbono condutor em camadas finas de átomos que também é adequado para transistores impressos em filmes flexíveis.

Um estudante de doutorado da equipe não ficaria convencido de que as tintas de grafeno não pudessem ser impressas em concentrações mais altas. As partículas se agregam, elas se aglomeram e um filme fino não pode se formar dessa maneira. Em vez de usar apenas um solvente, o pesquisador experimentou uma emulsão especial de grafeno e três solventes. Mas este revestimento também falhou na primeira tentativa. Quando a tinta foi misturada uniformemente na próxima tentativa e depois submetida a forças de cisalhamento leves, no entanto, a impressão foi bem-sucedida.

Curiosos, os especialistas investigaram o fenômeno e descobriram que as forças de cisalhamento alteram fundamentalmente a estrutura da tinta. O grafeno fino lasca na reforma líquida, de modo que as forças de van der Waals podem ter efeito. Estas são forças atrativas relativamente fracas entre átomos ou moléculas. O resultado foi uma tinta tipo gel – sem ligantes como polímeros, que de outra forma garantem que o líquido retenha sua consistência e não segregue.

Um processo com potencial de mercado

Os pesquisadores descobriram uma solução com benefícios práticos que também funciona em temperatura ambiente:a tinta seca sem aquecimento. Como se viu, essas tintas de van der Waals podem ser produzidas não apenas com grafeno, mas também com outras substâncias bidimensionais para impressão. Enquanto isso, o processo foi patenteado e algumas empresas, segundo os especialistas, já estão demonstrando interesse em produzir as cobiçadas tintas – tudo isso depois de uma coincidência que a equipe investigou com saudável curiosidade.

Não foi a única surpresa no projeto FOXIP, como relata Yaroslav Romanyuk. Um transistor de efeito de campo com uma camada isolante de óxido de alumínio, impresso em um plástico de poliimida resistente ao calor, revelou um comportamento bastante peculiar. Em vez de um sinal constante, como seria de esperar, mostrava ondas ascendentes. O sinal de saída tornou-se mais forte porque "lembrava" os sinais de entrada anteriores.

"Mostrar tal efeito de 'memória' é realmente indesejável para um transistor", explica Romanyuk.

Mas outro aluno da equipe teve a ideia de usar o fenômeno de uma maneira diferente. Um transistor com esse efeito de memória funciona de maneira semelhante aos circuitos do cérebro humano. As sinapses entre as células nervosas não apenas transmitem sinais, mas também os armazenam. Para computadores que imitam o cérebro humano, esse transistor sináptico poderia, portanto, ser altamente interessante. Mas o que poderia fazer?

Com o apoio de Mozart

Para explorar seu potencial, a equipe construiu uma cópia eletrônica do processo de audição humana junto com o transistor de filme fino - e o alimentou com uma música popular de Mozart:Rondo "Alla Turca" da Sonata nº 11 em lá maior.

"Tinha que ser uma peça animada", diz Romanyuk com um sorriso. Este experimento e uma análise mais aprofundada mostraram que a função sináptica do transistor é preservada de alguns hertz a quase 50.000 hertz - uma largura de banda muito maior do que os transistores impressos comparáveis.

Claro, aplicações concretas ainda não estão à vista para esta pesquisa fundamental - que a equipe publicou na revista online Scientific Reports — em contraste com as tintas de impressão sem aglutinantes. Mas no caminho para novas tecnologias de computador, os insights podem ser um passo útil que foi uma surpresa – como muitas vezes acontece na história da ciência.

Tais coincidências são a cereja do bolo para Romanyuk e muitos outros pesquisadores, especialmente em projetos na fronteira do que é viável.

"Nós deliberadamente estabelecemos nossas metas muito altas", diz ele. "As coincidências desempenham um papel muito importante nisso. Você se propõe um grande desafio e então, de repente e inesperadamente, essas coincidências simplesmente acontecem." + Explorar mais

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