В мире, который нас окружает, полно вещей, требующих объяснения. Что происходит, как это происходит и почему — это лишь часть вопросов, на которые старается найти ответы наука. Помимо фактического получения знаний, наука позволяет использовать их для разработки и создания тех или иных технологий. В частности это касается выбора материалов для различных устройств. Какие-то материалы отлично подходят для выполнения одних задач, но совершенно бесполезны для других. Однако, порой материал, который изначально казался абсолютно непригодным для создания определенной системы, может таковым стать, если удается превзойти ограничения, установленные законами природы. Так ученые из Линчёпингского университета (Швеция) создали первый в мире транзистор из дерева. В чем особенность деревянного транзистора, как он работает, и где его можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Ученые отмечают, что современные разработки должны учитывать один важный фактор, который ранее по большей степени игнорировался, а именно экологичность. Все больше и больше устройств и технологий стараются быть «зелеными», дабы снизить и без того колоссальное влияние на окружающую среду со стороны человечества. Дабы достичь экологичности какой-либо системы, ее надо либо создавать с нуля, либо переделывать, используя набор новых инструментов, методик и, в первую очередь, материалов.
Большие надежды возлагаются на биоматериалы. В течение последних десятилетий целлюлоза, лигнин, проводящие полимеры и другие органические или биологические материалы стали широко применяться в разработке и производстве различной электроники.
Среди этих материалов древесина выделяется, когда речь идет о материалах, обладающих потенциалом для транспорта и регулирования ионов. Несколько исследований показали, что уникальные трехмерные (3D) микроструктуры древесных «просветов» (микроскопических пустот между волокнами) идеально подходят для массопереноса в электродах электрохимических устройств. В результате древесина была карбонизирована или функционализирована проводящими материалами для применения в суперконденсаторах, батареях и электрохромных экранах. Было доказано, что после удаления лигнина открытые пути, образующиеся вдоль древесных волокон, обеспечивают работоспособные и эффективные каналы переноса ионов в наножидкостных устройствах. Кроме того, древесина также исследовалась в других электрических системах, таких как трибоэлектрические наногенераторы и электрическое магнитное экранирование.
Все это говорит о том, что древесина обладает вполне осязаемым потенциалом для технологий в области электроники и энергетики. Древесина ортотропна, и ее направленность может обеспечить ряд преимуществ для повышения производительности органических транзисторов. Однако транзисторов из дерева пока не было создано.
Чтобы превратить древесину в активный компонент обычного полупроводникового или органического электрохимического транзистора (OECT от organic electrochemical transistor), требуется регулируемая электрическая проводимость. Проводимость может быть вызвана либо карбонизацией древесины, либо модификацией древесины проводящими полимерами, такими как полианилин, полипиррол или поли(3,4-этилендиокситиофен)-полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Однако модуляция проводимости углеродных проводников электронными или электрохимическими средствами невозможна, что исключает использование карбонизированной древесины в качестве материала канала транзистора. Следовательно, вариант только один — использовать модификацию древесины посредством проводящих полимеров.
Более ранние попытки создания транзисторов на основе дерева включают исследования, направленные на использование дерева и его производных в качестве непроводящей подложки для изготовления обычного транзистора. В этом направлении обычно выбирают целлюлозную бумагу, поскольку она обладает хорошей гибкостью, а в некоторых случаях также высокой прозрачностью. Целлюлозные волокна также демонстрируют потенциал в качестве структурного компонента в электролите транзистора с электролитным затвором.
Хотя целлюлоза использовалась для изготовления кремнийсодержащих транзисторов, транзисторы, не основанные на кремниевой технологии, в будущем могут уменьшить количество электронных отходов и стать биоразлагаемыми. В недавнем исследовании сообщалось о создании мембраны на основе древесины, которая может регулировать перенос ионов посредством модуляции внешнего напряжения («A nanofluidic ion regulation membrane with aligned cellulose nanofibers»).
С этой целью авторы исследования нанесли на поверхность дерева слой затворного электрода из металлического серебра и применили принцип работы затворного транзистора для регулирования движения ионов в мембране. В результате получается своего рода ионный транзистор. Такое устройство обладает потенциалом, но оно ограничено необходимостью передачи электрического тока на ионный ток на электродах. Ожидаемое накопление ионного заряда или продуктов электрохимической реакции на границах раздела будет препятствовать возможности работы устройства в устойчивом состоянии в течение более длительных периодов времени.
Для длительной работы транзистора необходимо полагаться на модуляцию электропроводности. Следовательно, необходим метод, который мог бы использовать ионную проводимость древесины, но также включал бы достаточную и регулируемую электрическую проводимость древесины для фактического канала транзистора.
И тут может помочь именно проводящая древесина (CW от conductive wood) на основе PEDOT:PSS. Полученный OECT был бы построен на транзисторном канале, который обладает электропроводностью и может быть электрохимически модулирован с использованием ионного транспорта между каналом транзистора и электродом затвора. Поскольку оба этих транспортных механизма могут быть реализованы в древесине, то должна быть возможность построить OECT, полностью основанный на древесине.
Изображение №1
Как показано выше, деревянный электрохимический транзистор (WECT от wood electrochemical transistor) был изготовлен из трех кусков проводящей древесины (CW). CW была приготовлена с использованием двухэтапной методики делигнификации и амальгамации древесины с PEDOT:PSS (1A). Древесина бальсового дерева (бальза) была выбрана из-за ее высокой прочности, низкой плотности и высокой проницаемости, а также ее относительно однородной структуры с меньшей разницей между участками ранней и поздней древесины* по сравнению с мягкой древесиной.
В ходе предварительной оценки было установлено, что бальза показывает лучшие результаты, чем береза или ясень, при изготовлении электродов с высоким содержанием CW.
Ранняя и поздняя древесина (earlywood и latewood)* — термины, относящиеся к различной плотности древесины, образующейся в дереве в течение года. В начале вегетационного периода, влажной весной, дерево быстро растет, образуя клетки с крупными сосудами. По мере того как в конце сезона воды становится все меньше, рост дерева замедляется, образуя более мелкие клетки. Год за годом этот узор создает годичные кольца, причем ранняя древесина обычно выглядит как более пористая, светлоокрашенная, а поздняя древесина — как более темная и плотная.
Использованный в исследовании проводящий полимер был выбран из-за его превосходной настраиваемой электропроводности. Это крайне полезно для обеспечения успешного канала OECT, например, для приложений нейроморфной передачи сигналов и химических датчиков. Метод подготовки позволил сформировать полезную микроструктуру PEDOT:PSS в деревянном каркасе (1A). Эта микроструктура не только обеспечивает электропроводность, но и оставляет место для использования трехмерной архитектуры дерева для ионного транспорта. После этого CW использовалась для построения WECT.
Сборка WECT показана на 1B, где в качестве нижнего и верхнего затвора (обозначенных как WECT-Gate) использовались два отрезка CW (30 х 5 х 1 мм). Другой кусок CW (30 х 2 х 1 мм) использовался в качестве транзисторного канала (WECT-Channel), а в качестве сепаратора и электролита использовалась целлюлозно-полиэфирная ткань и гель-электролитная смесь, соответственно.
Конечный WECT транзистор сконфигурирован как OECT с двойным затвором, в котором основной рабочий процесс (восстановление/окисление проводящего полимера) происходит в микроскопическом масштабе в просветах, образующих канал транзистора (1C).
Результаты исследования
Как уже говорилось выше, для использования в качестве активного компонента в транзисторе древесина должна иметь достаточную электропроводность. В некоторых исследованиях древесины, покрытой проводящими полимерами, было обнаружено, что методы предварительной обработки, включая делигнификацию древесины, могут повысить проводимость.
Изображение №2
В этой работе пробковая древесина была делигнифицирована перед пропиткой суспензией PEDOT:PSS. Влияние делигнификации на проводимость CW исследовалась путем изменения времени делигнификации древесины от 0.0 (натуральная древесина) до 10.0 часов (2A). Было установлено, что CW-5.0h имеет самую высокую проводимость (69.0 ± 9.0 См/м), а CW-Native показала самое низкое значение (3.5 ± 1.0 См/м).
В натуральной бальзовой древесине транспорт жидкости происходит в основном в просвете сосудов. Ожидается, что при удалении лигнина древесина приобретет более высокую пористость клеточных стенок, а ямки в клеточных стенках станут открытыми, что сделает просвет волокон и паренхимных клеток доступным для транспортировки суспензии PEDOT:PSS. Кроме того, в делигнифицированной древесине (DW от delignified wood) также открываются диффузионные пути в средней пластинке и углах клеточной стенки. В результате просветы волокна, которые являются доминирующими структурами пробкового дерева, могут быть покрыты PEDOT:PSS. Улучшенная диффузия PEDOT:PSS приводит к более высокой электропроводности древесины.
Однако при времени делигнификации более 5 ч было обнаружено, что клетки древесных волокон разрушаются. Это препятствует эффективной диффузии полимера в структуре, что приводит к падению электропроводности с 69 ± 9.0 для CW-5.0h до 17.0 ± 5.0 для CW-7.5h.
WECT-Channel и WECT-Gate были изготовлены из CW-5.0h размерами 30 × 2 × 1 мм и 30 × 5 × 1 мм, соответственно. Несмотря на большую площадь листа, WECT-Gate имеет более низкую проводимость (30.0 ± 4.0), чем WECT-Channel (69.0 ± 9.0). Это, вероятно, связано с более плохим доступом PEDOT:PSS к внутренним частям более крупного куска дерева, поперечное сечение которого в 2.5 раза больше. Одной из вероятных причин этого является то, что первоначальная адсорбция PEDOT:PSS во внешних частях образца может частично блокировать диффузию PEDOT:PSS во внутренние части образца.
В дополнение к электропроводности электрохимические свойства, включая емкость накопления заряда и ионную проводимость, важны для понимания применимости CW в качестве активных электродов (затвор и канал) в OECT. Ожидается, что во время работы устройства трехмерная структура CW будет способствовать достаточному накоплению заряда, что, в свою очередь, будет играть ключевую роль в переключении тока, проходящего через канал устройства на основе CW.
На 2B показано, что как WECT-Gate, так и WECT-Channel демонстрируют хорошие емкостные характеристики, при этом их CV-кривые принимают слегка отклоненную прямоугольную форму. Отклонение, скорее всего, вызвано окислительно-восстановительной активностью небольшого количества нативного лигнина, оставшегося в DW (DW-5.0h) и, следовательно, присутствующего в образце CW-5.0h. Содержание лигнина в образце составило 7.1 ± 0.1 мас. %, что значительно ниже 24.9 ± 0.1 мас. % в натуральной древесине (2C).
И WECT-Gate, и WECT-Channel показали хорошую емкость 55.0 ± 5.0 мФ и 31.0 ± 4.0 мФ соответственно. Более высокая емкость WECT-Gate является следствием его большего размера (в 2.5 раза больше объема WECT-Channel). Для работы OECT выгодно, если электрод затвора имеет большую емкость, чем канал транзистора.
Наряду с емкостью электродов была также изучена ионная проводимость WECT-канала, чтобы понять его способность к ионно-опосредованному регулированию электрохимической проводимости при приложении внешнего напряжения. При использовании измерительной установки, показанной на 2D, зарегистрированное ионное сопротивление канала WECT (или образца CW-5.0h) ниже, чем у DW-5.0h. Это означает, что PEDOT:PSS сыграл важную роль в снижении ионного сопротивления, что, в свою очередь, означает увеличение ионной проводимости внутри каркаса CW.
Далее была выполнена структурная и морфологическая оценка образцов для картирования морфологии древесины и распределения PEDOT:PSS (2E, 2F). Сравнение CW-5.0h и CW-Native показало четкое различие в их внешнем виде и микроструктуре. На срезах поперечного сечения обоих образцов видно, что CW-5.0h выглядит темно-синим по всей своей толщине, в то время как поперечное сечение CW-Native демонстрирует свой родной светло-коричневый цвет. Это указывает на то, что PEDOT:PSS проник во всю структуру CW, но не смог проникнуть во внутренние части натуральной (лигнифицированной) древесины. Соответственно, в микроскопическом масштабе, как показывают СЭМ снимки, следов PEDOT:PSS в поперечном сечении CW-Native не было обнаружено. Напротив, в CW-5.0h образце слой PEDOT:PSS был виден в просветах волокон (2F) и сосудов.
На 2G и 2H показаны результаты анализа образцов методов малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS от small angle X-ray scattering). Наблюдались анизотропные полосы, но они показывают лишь небольшие различия между двумя образцами.
Далее были проанализированы одномерные данные (2I) для определения длины корреляции, что означает межцентровое расстояние фибрилл целлюлозы. Расчеты показали, что CW-5.0h имеет немного большую корреляционную длину, чем DW-5.0h (≈ 4.0 ± 0.10 нм по сравнению с ≈ 3.55 ± 0.15 нм). Это может указывать на проникновение полимерной цепи PEDOT:PSS между древесными волокнами CW-5.0h.
Наконец, механические свойства (предел прочности при растяжении и модуль Юнга) были измерены для натуральной, делигнифицированной (DW-5.0h) и проводящей древесины (CW-5.0h). Замеры показали, что CW аналогична по прочности на растяжение и жесткости к исходной бальзовой древесине. Принимая во внимание все собранные данные об электрических/электрохимических и структурных свойствах, CW-5.0h был выбран в качестве подходящего кандидата для формирования электродов для деревянного транзистора.
Ученые отмечают, что OECT могут быть сконструированы с одним электродом затвора или с двойными затворами по обе стороны от канала транзистора. Конфигурация с двойным затвором выгодна, когда размеры канала транзистора велики, поскольку она обеспечивает лучший и более быстрый доступ для транспорта ионов ко всем частям канала транзистора. Таким образом, для устройства WECT с каналом толщиной 1 мм двухзатворная структура была бы выгодной. Это было экспериментально доказано путем сравнения характеристик переключения обеих конфигураций. Ввиду этого результата в качестве стандартной конфигурации для дальнейших исследований были выбраны именно двухзатворные транзисторы.
Изображение №3
Как показано на 1B, конструкция WECT с двойным затвором имеет два электрода затвора, расположенные на верхней и нижней сторонах канала транзистора. Электроды WECT-Gate и WECT-Channel были изготовлены из CW-5.0h толщиной 1 мм. Хотя 1 мм намного больше, чем стандартная толщина обычного OECT на основе PEDOT:PSS (менее 1 мкм), устройство работало как обычный OECT p-типа. Напряжение, проходящее через канал WECT, определяется как напряжение сток-исток (ID). При нулевом напряжении на затворе (VG) канал транзистора открыт, а транзистор включен (ON). При подаче напряжения на затвор 6.0 В канал становится полностью восстановленным, а транзистор находится в выключенном состоянии (OFF).
На 3B показаны кривые передачи устройства, в котором модуляция напряжения ON/OFF [ID (VG = 0) / ID (VG = 6.0 В)] достигает 1.7 порядка для прямой развертки. По сравнению с отношением ON/OFF обычных OECT на основе PEDOT:PSS, полученное отношение исследуемого образца невелико, но достаточно для устройств с большой толщиной электрода и ограниченной проводимостью. На 3B также видно, что транзистор выключается, когда VG достигает ≈ 2.5 В. Процесс переключения является повторяемым, что было показано в трех последовательных циклах.
Предварительный механизм работы WECT на микроскопическом уровне, который основан на характеристиках переключения и морфологии WECT-канала (1C), показан на 3A. Для описания рабочего механизма был выбран участок одного древесного волокна, поскольку он может представлять текущий принцип модуляции во всем канале WECT. Перед подачей любого потенциала на электроды затвора (VG = 0 В) WECT находится в состоянии ON. При подаче VG > 0 ВЭТ постепенно переключается в состояние OFF из-за вытеснения катионов из электролита к поверхности клеточной стенки древесины, где в основном локализуется PEDOT:PSS и удерживается при отрицательном потенциале. Происходит электрохимическая реакция, при которой катионы компенсируют противоанионы (PSS-), и PEDOT+ восстанавливается до непроводящей формы PEDOT0. В результате снижается проводимость WECT-канала.
Далее проводились измерения на выходе для получения дополнительной информации о производительности WECT. В ходе измерений напряжение сток-исток (VD) менялось от 0 до -6.0 В, а VG увеличивалось ступенчато от 0 до 6.0 В. На 3C показаны полученные кривые ID-VD. При VG = 0 В и VG = 1 В, ID увеличивалось линейно с увеличением VD и достигало плато при VD = -3.5 В. После этого ID показало незначительное снижение при повышении уровня VD до -6.0 В. Уменьшение, вероятно, связано либо с небольшим уменьшением PEDOT:PSS в таком диапазоне высоких напряжений, либо с небольшой утечкой напряжения между стоком и затвором.
Ученые отмечают, что не ожидали, что WECT будет быстрым, но все же проверили возможности динамического переключения устройства. При измерениях динамического переключения генератор функций вырабатывал VG как прямоугольную волну, переключающуюся между 0 и 5.0 В на частоте 100 мГц, в то время как применялось постоянное VD = -6.0 В. Из графика на 3D видно, что повторное динамическое переключение вполне возможно, хотя и не быстрое. Основная часть выключения происходит примерно за 1 секунду. Переключение на ON происходит медленнее и не завершается полностью за 5 секунд. Это, вероятно, является причиной уменьшения соотношения ON/OFF по мере измерения на 3D. Для полной ON/OFF динамики необходимо использовать частоту ниже 100 мГц.
С такими динамическими переключающими свойствами WECT не подходит для обычных электронных схем, но, вероятно, является интересным кандидатом для интегрированных в древесину приложений, начиная от электрохромных дисплеев и заканчивая простыми логическими схемами, реагирующими на входной сигнал датчика.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали транзистор, изготовленный из проводящей древесины. Результаты опытов на образцах показали, что электропроводность такого необычного материала можно модулировать, прикладывая внешнее напряжение.
Созданный учеными деревянный электрохимический транзистор (WECT) работает по тому же принципу, что и OECT (органический электрохимический транзистор) с двойным затвором. В WECT два затвора и канал транзистора изготовлены из делигнифицированной древесины, ставшей проводящей (69 См/м) за счет внедрения слоя PEDOT:PSS в просветы микроструктуры древесины. Модуляция напряжения происходит посредством электрохимического окисления/восстановления PEDOT.
Авторы разработки признают, что производительность WECT устройства ниже, чем у обычного OECT на основе PEDOT:PSS, оно подтверждает, что существует возможность превратить дерево в функциональный транзистор, используя его ориентированную и иерархическую трехмерную структуру, тем самым предоставляя возможность контролировать и регулировать напряжение в проводящей древесине. Ученые также считают, что существует возможность улучшить устройство либо за счет оптимизации проводимости древесины, либо за счет изменения конфигурации устройства. Следовательно, хоть данное устройство не может сразу же отправиться на конвейер, но может послужить фундаментом для новых исследований и разработок в области биоэлектроники.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
