Nachhaltige Elektronik: Forscher drucken recyelbare Transistoren

Keine giftigen Chemikalien, fast vollständig wiederverwendbar: Mit Tinten auf Wasserbasis drucken Forscher Dünnschichttransistoren.

Artikel veröffentlicht am 11. April 2023, 15:26 Uhr, Johannes Hiltscher

Gedruckte Elektronik soll sich besser recyceln lassen, ihre Herstellung weniger schädlich sein. (Bild: Robert, Flickr/CC-BY 2.0)

Viele Elektronikprodukte haben ein Problem: Werden sie entsorgt, lassen sie sich nur schwer wiederverwerten. Die vielen bei der Produktion von Halbleitern und Displays eingesetzten Stoffe lassen sich schwer trennen. Auch kommen diverse schädliche Chemikalien zum Einsatz. All diese Probleme will ein Forscherteam der Duke University (Durham, North Carolina) lösen: Es druckt vollständig recycelbare Schaltungen – mit Wasser und ohne schädliche Chemikalien.

Möglich wird das durch drei verschiedene Tinten, zwei auf Kohlenstoffbasis, die dritte enthält Nanozellulose. Sie dient als Isolator und trennt bei den gefertigten Transistoren den halbleitenden Kanal und die steuernde Gate-Elektrode. Die Leiter werden mit Graphen gedruckt, der Kanal hingegen mit Kohlenstoffnanoröhren.

Gegenüber Metallen haben die verwendeten Materialien einen großen Vorteil: Mit ihnen lässt sich auch ohne schädliche Chemikalien eine wässrige Lösung herstellen, die ein Aerosoldrucker verarbeiten kann. Zurückgewonnen werden sie mittels Ultraschall und Toluol – was nicht ganz so unbedenklich ist wie Wasser. In einer vorherigen Arbeit konnte das Team so 95 Prozent der Kohlenstoffmaterialien wieder nutzbar machen.

Drucken mit Wasser ist kompliziert

Die größte Herausforderung beim Drucken sind die Kohlenstoffnanoröhren. Um zu verhindern, dass sie im Wasser verklumpen, müssen Tenside zugesetzt werden, die Forscher verwendeten Natriumlaurylsulfat und Natriumcholat.

Die Tenside verhindern allerdings nicht nur das Verklumpen der Nanoröhren, sondern auch, dass neu aufgebrachte Schichten haften bleiben. Allein der Kanal muss allerdings mehrfach gedruckt werden, da bei jedem Durchgang nur eine geringe Menge Nanoröhren aufgebracht werden kann. Daher entwickelten die Forscher ein Verfahren, bei dem nach jedem Druckschritt die Tenside ausgewaschen und die Platine bei niedrigen Temperaturen von 40 bis 70° C getrocknet wird. Die Herausforderung dabei: die zuvor gedruckten Schichten nicht wieder abzulösen.

Gedruckt hat das Team bereits auf verschiedene Träger, in der aktuellen Arbeit Silizium und Kapton, zuvor auch auf Papier. Als mögliches Anwendungsgebiet ihrer im Journal Nano Letters veröffentlichten Arbeit (PDF) sehen die Forscher neben Sensoren auch TFT-Bildschirme. Bei denen werden die Flüssigkristalle mittels Dünnschichttransistoren angesteuert.

Die Leistung der gedruckten Transistoren müsse zwar noch verbessert werden, aber sie sei, so Gruppenleiter Aaron Franklin, gut genug um der Wissenschaftsgemeinschaft zu zeigen, dass man hier noch viel mehr tun könne.