Een internationale groep onderzoekers heeft een manier gevonden om het nanomateriaal zwarte fosfor met hoge kwaliteit en stabiliteit te printen. Dat kan leiden tot transistoren, LEDs, zonnecellen en lasers met betere elektronische eigenschappen.

Zwarte fosfor is een zusje van het bekende tweedimensionale nanomateriaal grafeen, gebaseerd op koolstof. Evenals grafeen is fosfor een kristal opgebouwd uit atomaire laagjes. Grafeen is onder andere veelbelovend vanwege zijn uitstekende stroomgeleiding, maar is niet geschikt om halfgeleiders van te maken omdat het niet in staat is de stroom aan en uit te zetten. Halfgeleiders vormen de basis van transistoren, en dat zijn weer essentiële basiselementen om computerchips van te maken. En die vinden we in alle elektronica terug; van smartphones tot vliegtuigmotoren.

 

Halfgeleider

Zwarte fosfor is wél in staat om een halfgeleider te vormen. Mede daarom kijken chipmakers nieuwsgierig naar dit alternatief voor grafeen. Een team van onderzoekers van Aalto University (Finland), University of Cambridge, Imperial College London (VK) en Beihang University (China) ontwikkelde daarvoor een nieuwe inkt op basis van zwarte fosfor. Deze inkt konden zij naadloos aanbrengen op een bestaande zogeheten CMOS-halfgeleider, die nu veel wordt gebruikt bij het produceren van chips.

 

​De inkjetprinter in actie. Beeld: University of Cambridge

 

Massaproductie

Zwarte fosfor werd nog niet eerder aangebracht met een inkjetprinter. Tot nu toe werd het als een moeilijk materiaal gezien om mee te werken, en was het slecht stabiel te houden in verschillende omgevingscondities. De onderzoekers wisten de chemische samenstelling van het materiaal nu echter zodanig te beïnvloeden dat het wel stabiele resultaten gaf. De fosforinkt gaf een goede, uniforme printkwaliteit zonder ringen te vormen aan de randen, ook wel ‘koffieringen’ genoemd. Ook droogde de inkt snel en was er, ook na 30 dagen, geen sprake van oxidatie. De onderzoekers claimen dat hiermee de massaproductie van elektronische apparatuur op basis van zwarte fosfor een stap dichterbij is gekomen.

 

Toepassingen

‘Ons werk onderstreept de belofte van dit materiaal als een functioneel inktplatform voor geprinte devices’, schrijven de onderzoekers. Voorbeelden zijn transistoren, LEDs, fotosensoren, zonnecellen en optische schakelaars in ultrasnelle lasers. Behalve in de consumentenelektronica zouden deze systemen ook de industrie en de medische sector toegepast kunnen worden, bijvoorbeeld voor fabrieksmachines die ultrasnel producten moeten scannen of medische beeldverwerkingsapparatuur zoals MRI-scanners.

Beeld: Manchester Materials