Dans le mille

La barre était sans aucun doute placée très haut: Le projet de recherche Functional Oxides Printed on Polymers and Paper – en bref: FOXIP – devait permettre d'imprimer des transistors à couche mince sur des supports en papier ou des films PET. Les circuits électroniques dotés de tels éléments jouent un rôle important dans l'Internet des objets en pleine expansion, par exemple en tant que capteurs sur des documents, des bouteilles, des emballages ... – un marché mondial de plusieurs milliards.

Si l'on parvenait à fabriquer de tels transistors avec des oxydes métalliques inorganiques, cela ouvrirait de nouveaux horizons. Comparé aux matériaux organiques comme le polymère semi-conducteur polythiophène, explique le chef de projet Yaroslav Romanyuk du Laboratory for Thin Films and Photovoltaics de l'Empa, les électrons y sont beaucoup plus mobiles. Ils pourraient donc augmenter considérablement la performance de tels éléments et ne doivent pas être protégés contre l'influence de l'air et de l'humidité par un encapsulage coûteux.

Le défi de la chaleur

Le problème des encres à base d'oxydes métalliques: Pour en faire un transistor stable, il faut le fritter après l'impression, typiquement dans un four. Il est également possible de sécher et de fritter avec de la lumière, par exemple avec un rayonnement ultraviolet de faible longueur d'onde ou une lampe au xénon: la couche imprimée est chauffée par de très brefs éclairs de lumière afin de ménager le matériau support. L'eau, les solvants et les liants quittent alors le matériau.

Néanmoins, de tels procédés chauffent le matériau de support jusqu'à 200 degrés – beaucoup trop chaud pour le papier ou le PET, qui commence à perdre sa résistance à des températures déjà en dessous de 80 degrés, alors que d'autres plastiques comme les polyimides résistent à des températures nettement plus élevées.

De 2017 à 2021, dans le cadre d'un projet de l'initiative de recherche Strategic Focus Area - Advanced Manufacturing (SFA-AM) lancée par le Conseil des EPF, des spécialistes de l'Empa, du Soft Transducers Laboratory de l'EPFL et du Polymer Nanotechnology Group de l'Institut Paul Scherrer ont travaillé sur toutes les étapes du processus: par exemple, les revêtements pour lisser la surface du papier, les formulations d'encre, l'irradiation., et ont réalisé de nombreux progrès.

Mais le «souhait ultime», comme le dit Yaroslav Romanyuk, d'imprimer des transistors en couches minces fonctionnels sur du papier ne s'est pas réalisé: les températures sont trop élevées, le matériau trop rugueux. Et les transistors imprimés sur des feuilles de polymère avaient finalement une puissance électrique trop faible.

L'inattendu

Déçu? Non, estime Jakob Heier du département Polymères fonctionnels de l'Empa: «Le projet n'a pas du tout été un échec.» Non seulement en raison de nouvelles connaissances sur des détails techniques, mais aussi en raison de «résultats secondaires» inattendus: «C'était un projet hautement passionnant avec de nombreuses surprises.» Il y a par exemple eu un incident qui devait avoir des conséquences, avec le matériau graphène: du carbone conducteur en couches de la taille d'un atome, qui convient également bien pour les transistors imprimés sur des films flexibles.

Un doctorant de l'équipe ne voulait pas se contenter du fait que les encres de graphène ne peuvent plus être imprimées à des concentrations plus élevées: Les particules s'agrègent; elles «s'agglutinent» et un film fin réussi ne peut pas se former ainsi. Au lieu d'utiliser un seul solvant, le collaborateur a essayé une émulsion spéciale de graphène et de trois solvants. Mais ce revêtement a également échoué au premier essai. Mais lorsque l'encre a été mélangée uniformément lors de l'essai suivant, puis soumise à de légères forces de cisaillement, l'impression a réussi.

A quoi cela était-il dû ?

Curieux, les spécialistes se sont penchés sur le phénomène et ont découvert que les forces de cisaillement modifient fondamentalement la structure de l'encre. Les fines feuilles de graphène dans le liquide se reforment, de sorte que les forces de van der Waals entrent en jeu: des forces d'attraction relativement faibles entre les atomes ou les molécules. C'est ainsi qu'est née une encre gélifiée – sans liants tels que les polymères, qui permettent normalement au liquide de conserver sa consistance et de ne pas se «démélanger».

Potentiel de marché

Il s'agit donc d'une solution pratique qui fonctionne à température ambiante; l'encre sèche sans être chauffée. Il s'est avéré que de telles encres van der Waals peuvent être produites non seulement avec du graphène, mais aussi avec d'autres substances bidimensionnelles pour l'impression. Entre-temps, le procédé a été breveté et, selon les spécialistes, certaines entreprises se montrent déjà intéressées par la production de ces encres tant convoitées – tout cela après un hasard que l'équipe avait investigué avec une saine curiosité de chercheur.

Ce n'est pas la seule surprise du projet FOXIP, comme le raconte Yaroslav Romanyuk. Un transistor à effet de champ avec une couche isolante d'oxyde d'aluminium, imprimé lors d'essais sur un plastique polyimide résistant à la chaleur, a révélé un comportement étrange. Au lieu du signal constant auquel on aurait pu s'attendre, des «vagues» croissantes sont apparues: le signal de sortie est devenu plus fort parce qu'il s'est «souvenu» des signaux entrants précédents. «C'est en fait indésirable lorsqu'un transistor montre une telle ‹mémoire›󠅒», explique Yaroslav Romanyuk.

Mais un étudiant de l'équipe a eu l'idée d'utiliser ce phénomène d'une autre manière. Un transistor avec un tel effet de mémoire fonctionne de la même manière que les circuits du cerveau humain: les synapses entre les cellules nerveuses ne transmettent pas seulement des signaux, mais les stockent également. Un tel transistor synaptique pourrait donc être intéressant pour la vision d'ordinateurs imitant le cerveau humain. Mais que pourrait-il faire?

Mozart comme moyen de test

Pour explorer son potentiel, l'équipe a construit une copie électronique du processus auditif humain, y compris le transistor à couche mince et l'a alimenté avec un air populaire de Mozart: le rondo Alla Turca de la sonate n°11 en la majeur. «Il fallait que ce soit un morceau vif», dit Yaroslav Romanyuk avec un sourire. Lors de cet essai et d'autres analyses, il s'est avéré que la fonction synaptique du transistor était conservée de quelques hertz à près de 50'000 hertz - une bande passante nettement plus large que celle des transistors imprimés comparables.

Contrairement à l'encre d'impression sans liant, les applications concrètes de cette recherche fondamentale, publiée par l'équipe dans la revue spécialisée en ligne Scientific Reports, ne sont certes pas encore en vue. Mais sur le chemin des nouvelles technologies informatiques, ces connaissances pourraient bien être une étape utile, qui a surpris – comme souvent dans l'histoire de la science.

Pour Yaroslav Romanyuk et de nombreux autres chercheurs, de tels hasards sont pour ainsi dire le sel de la soupe, en particulier pour les projets à la limite du réalisable. «Nous avions délibérément fixé des objectifs très élevés», dit-il, «et le hasard joue un rôle très important! On se lance un grand défi et puis, soudainement et de manière inattendue, ces coïncidences se produisent tout simplement.»