Revolutionäre fadenbasierte Transistoren ebnen den Weg für flexible Elektronik

Tufts University, Medford, Massachusetts

Aus Leinenfäden wurde ein Transistor hergestellt, der die Herstellung elektronischer Geräte ermöglichte, die vollständig aus dünnen Fäden bestehen und in Stoffe eingewebt, auf der Haut getragen oder zur diagnostischen Überwachung chirurgisch implantiert werden könnten. Die flexiblen elektronischen Geräte könnten eine Reihe von Anwendungen ermöglichen, die sich an unterschiedliche Formen anpassen und freie Bewegung ermöglichen, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.

In fadenbasierten Transistoren transportieren mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtete Fäden elektrischen Strom zwischen Source- (S) und Drain-Drähten (D) als Reaktion auf die am Gate-Draht (G) erfasste Spannung. (Tufts-Universität)

Die Thread-basierten Transistoren (TBTs) können in vollständig Thread-basierte Logikschaltungen und integrierte Schaltkreise umgewandelt werden. Die Schaltkreise ersetzen die letzte verbliebene starre Komponente vieler aktueller flexibler Geräte und ermöglichen in Kombination mit fadenbasierten Sensoren die Schaffung vollständig flexibler Multiplex-Geräte.

Die meisten flexiblen Elektronikgeräte formen Metalle und Halbleiter zu biegsamen Strukturen oder verwenden intrinsisch flexible Materialien wie leitende Polymere. Im Vergleich zu Elektronik auf Basis von Polymeren und anderen flexiblen Materialien bietet fadenbasierte Elektronik eine größere Flexibilität, Materialvielfalt und die Möglichkeit, ohne Reinräume hergestellt zu werden. Die fadenbasierte Elektronik kann Diagnosegeräte umfassen, die extrem dünn, weich und flexibel genug sind, um sich nahtlos in die biologischen Gewebe, die sie messen, zu integrieren.

Bei der Herstellung eines TBT wird ein Leinenfaden mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet, wodurch eine Halbleiteroberfläche entsteht, durch die Elektronen wandern können. An dem Faden sind zwei dünne Golddrähte befestigt – eine „Quelle“ für Elektronen und ein „Abfluss“, wo die Elektronen abfließen (in einigen Konfigurationen können die Elektronen in die andere Richtung fließen). Ein dritter Draht, Gate genannt, ist an dem den Faden umgebenden Material befestigt, sodass kleine Spannungsänderungen durch den Gate-Draht einen großen Stromfluss durch den Faden zwischen Source und Drain ermöglichen – das Grundprinzip eines Transistors.

Als Material, das den Faden umgibt und mit dem Gate-Draht verbunden ist, wird ein mit Elektrolyt infundiertes Gel verwendet. Das Gel besteht aus Silica-Nanopartikeln, die sich selbst zu einer Netzwerkstruktur zusammenfügen. Das Elektrolytgel (oder Ionogel) kann durch Tauchbeschichtung oder schnelles Abwischen auf den Faden aufgetragen werden. Im Gegensatz zu den Festkörperoxiden oder Polymeren, die als Gate-Material in klassischen Transistoren verwendet werden, ist das Ionogel bei Dehnung oder Biegung widerstandsfähig.

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