可生物降解的柔性硅晶體管
2015-07-10 08:53:57 n2015年6月30日華盛頓--當(dāng)今，隨著新科技不斷為人們帶來(lái)的越來(lái)越多的便利，便攜式電子產(chǎn)品的用戶日益頻繁地更新他們的電子用品。2012年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（the U.S. Environmental Protection Agency）的一篇報(bào)告表明每年約有一億五千萬(wàn)移動(dòng)電子產(chǎn)品被丟棄，其中只有百分之十被回收--由于絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品是由不可生物降解的高純度硅材料制成，這些電子產(chǎn)品不僅在制造時(shí)耗費(fèi)了大量的自然資源，被丟棄時(shí)也為自然環(huán)境造成了大量的垃圾。
基于纖維素納米原纖襯底的微波硅晶體管陣列。
一片新制的，基于纖維素納米原纖襯底的微波硅晶體管片。在它丟入木料堆三個(gè)星期后，該晶片已經(jīng)在菌類的作用下部分被分解。
近日，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的研究者們找到了一種減輕電子產(chǎn)品的丟棄為環(huán)境所帶來(lái)的負(fù)擔(dān)的新方法。他們證實(shí)了使用一種從木質(zhì)中提取出來(lái)的材料--纖維素納米原纖（cellulose nanofibrillated fiber or CNF)，制作可生物降解柔性晶體管襯底的可行性。該工作為未來(lái)綠色廉價(jià)的便攜式電子產(chǎn)品打開了一扇門。
在一篇本周發(fā)表在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)》的論文中， 研究者們?cè)斒隽嗽摽缮锝到獾碾娮釉?/p>
“我們的研究表明基于纖維素納米原纖的晶體管展現(xiàn)出與傳統(tǒng)的硅材料晶體光同樣優(yōu)秀的性能，”該研究課題的帶頭人，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電子與計(jì)算機(jī)工程系教授Zhenqiang Ma說。“基于生物材料的晶體管十分安全，你將它們丟到森林里，菌類會(huì)很快地將其分解。它們和肥料一樣的安全。”
當(dāng)今，絕大多數(shù)電子器件的襯底是由不可再生，不可生物降解的材料如硅片制成，硅片是一種高純度昂貴堅(jiān)硬的襯底。 而纖維素納米原纖襯底則有望取代硅襯底在未來(lái)制作環(huán)保，價(jià)廉的便攜式設(shè)備或電子器材。
纖維素納米原纖是由木質(zhì)制成的一種持久，堅(jiān)硬，透明的納米材料。 和其他的聚合材料如塑料相比，木制納米材料具有生物相容性和相對(duì)低的溫度延展系數(shù)，也就是說這種材料在溫度變化時(shí)不會(huì)變形。這些特性使得纖維素納米原纖成為制作綠色便攜式電子器件的絕佳材料。
在制作高性能的電子器件的過程中，Ma的研究組以硅納米薄膜作為晶體管的活性物質(zhì)--那是一種從硅晶體上剝離下來(lái)的比人的頭發(fā)絲還要細(xì)的超薄膜片， 然后將其粘貼到纖維素納米原纖襯底上，制成柔韌，透明，可生物降解的硅晶體管。
便攜式電子器件要求晶體管能夠在微波范圍內(nèi)工作，這是絕大多數(shù)無(wú)線電子器件的工作范圍。研究者們于是進(jìn)行了一系列測(cè)試電子元件功能特性的實(shí)驗(yàn)比如測(cè)量它的電流電壓特性，最終證實(shí)該可生物降解的晶體管在微波頻段范圍內(nèi)的工作性能可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶體管相比。
"可生物降解的電子器件為近年來(lái)顧客高頻率更換便攜式電子產(chǎn)品而造成的環(huán)境問題提供了新的解決方案，”Ma說。“可以預(yù)見的是，未來(lái)的電子芯片和便攜式電子產(chǎn)品會(huì)比今天的更加綠色，也會(huì)更加便宜。”
研究人員下一步計(jì)劃在可生物降解晶體管的基礎(chǔ)上，研發(fā)更為復(fù)雜的電路系統(tǒng)。
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