Des chercheurs de Duke développent des transistors imprimés 100% recyclables

Ken Kingery

Des chercheurs de Duke Engineering présentent les premiers composants électroniques imprimés sub-micrométriques entièrement recyclables

Les ingénieurs électriciens de l’université Duke ont démontré leur capacité à imprimer des composants électroniques entièrement fonctionnels et recyclables à l’échelle submicrométrique. Cette technique pourrait avoir un impact sur l’industrie des écrans électroniques, qui pèse plus de 150 milliards de dollars, et sur son empreinte environnementale, tout en permettant à l’industrie manufacturière américaine de prendre pied dans un secteur vital et en pleine croissance.

« Si nous voulons sérieusement développer l’industrie manufacturière américaine dans des domaines dominés par des concurrents mondiaux, nous avons besoin de technologies transformationnelles », a déclaré Aaron Franklin, professeur émérite d’ingénierie électrique et informatique et de chimie à l’université Duke. « Notre procédé permet d’imprimer des transistors à base de carbone qui peuvent être entièrement recyclés et offrent des performances comparables aux normes industrielles. Ce résultat est trop prometteur pour ne pas mériter une attention particulière. »

Les écrans électroniques jouent un rôle clé dans presque tous les secteurs : téléviseurs, écrans d’ordinateur, cadrans de montre et écrans de voiture. Presque tous sont fabriqués à l’étranger, principalement en Corée du Sud, en Chine et à Taïwan. Le processus de fabrication a un impact environnemental important en raison des émissions de gaz à effet de serre et de l’énorme empreinte énergétique requise par le traitement sous vide. Pour couronner le tout, selon une estimation des Nations unies, moins d’un quart des millions de kilos d’appareils électroniques jetés chaque année sont recyclés.

Il y a plusieurs années, le laboratoire de Franklin a mis au point les premiers composants électroniques imprimés entièrement recyclables au monde. Cette démonstration utilisait toutefois l’impression par jet d’aérosol, qui ne permet pas de former des éléments de moins de 10 micromètres, ce qui limite considérablement leurs applications potentielles dans le domaine de l’électronique grand public.

Dans le cadre de ces nouvelles recherches, Franklin et ses collègues ont collaboré avec Hummink Technologies pour surmonter cette barrière de taille. Leurs machines d’« impression capillaire de haute précision » utilisent les énergies de surface naturelles concurrentes pour extraire de minuscules quantités d’encre d’une pipette tout aussi minuscule. Il s’agit du même phénomène qui rend les serviettes en papier si absorbantes, car le liquide est aspiré dans les espaces étroits entre leurs fibres.

« Nous avons envoyé certaines de nos encres à Hummink et avons obtenu des résultats prometteurs », a déclaré Franklin. « Mais ce n’est que lorsque nous avons reçu l’une de leurs imprimantes ici à Duke que mon groupe a pu exploiter son véritable potentiel. »

Les chercheurs ont utilisé trois encres à base de carbone fabriquées à partir de nanotubes de carbone, de graphène et de nanocellulose, qui peuvent être facilement imprimées sur des substrats rigides comme le verre et le silicium ou sur des substrats flexibles comme le papier ou d’autres surfaces respectueuses de l’environnement. Il s’agit essentiellement des mêmes encres que celles qui avaient été présentées dans les recherches précédentes de M. Franklin, mais avec des propriétés fluides modifiées qui leur permettent de fonctionner avec les imprimantes Hummink.

Lors de la démonstration, ils ont montré que cette combinaison d’encre et de matériel innovants permettait d’imprimer des éléments de plusieurs dizaines de micromètres de long, séparés par de petits espaces de moins d’un micromètre. Ces petits espaces réguliers forment la longueur de canal des transistors à couche mince (TFT) à base de carbone, dont les dimensions réduites se traduisent par de fortes performances électriques. Ce sont ces types de transistors qui constituent le contrôle du fond de panier de tous les écrans plats.

« Ce type d’approche de fabrication ne remplacera jamais les puces informatiques haute performance à base de silicium, mais il existe d’autres marchés où nous pensons qu’elles pourraient être compétitives, voire transformatrices », a ajouté M. Franklin.

Derrière chaque écran numérique dans le monde se cache un immense réseau de transistors à couche mince microscopiques qui contrôlent chaque pixel. Alors que les écrans OLED nécessitent plus de courant et au moins deux transistors pour chaque pixel, les écrans LCD n’en nécessitent qu’un seul.

Dans une étude précédente, les chercheurs ont pu démontrer que leurs transistors imprimés et recyclables pouvaient piloter quelques pixels d’un écran LCD. M. Franklin estime que les nouveaux TFT imprimés au niveau submicrométrique sont sur le point d’atteindre les performances nécessaires pour faire de même avec les écrans OLED.

Transistor à couche mince en nanotubes de carbone entièrement imprimé avec une grille en gel ionique imprimée sur du Kapton flexible, capable de se plier autour d’une tige de deux millimètres de diamètre. Le Kapton est couramment utilisé dans une variété d’applications exigeantes telles que les circuits imprimés flexibles et l’électronique à haute température.

Bien qu’il existe d’autres cas d’utilisation potentiels pour cette technologie, comme l’intégration d’un plus grand nombre de capteurs dans l’empreinte d’une puce afin d’augmenter sa précision, M. Franklin estime que les écrans numériques sont les plus prometteurs. En plus d’être entièrement recyclable, le processus d’impression nécessite beaucoup moins d’énergie et produit beaucoup moins d’émissions de gaz à effet de serre que les méthodes traditionnelles de fabrication des TFT.

« Les écrans fabriqués à l’aide d’une technique similaire à celle-ci constituent l’application à grande échelle la plus réalisable que j’ai jamais vue sortir de mon laboratoire », a conclu Franklin. « Le seul véritable obstacle, à mon avis, est d’obtenir suffisamment d’investissements et d’intérêt pour surmonter les obstacles restants afin de réaliser le potentiel considérable de cette technologie. Malheureusement, le programme de la National Science Foundation auquel nous avions demandé un financement pour poursuivre nos travaux, appelé « Future Manufacturing », a été supprimé au début de l’année. Mais nous espérons trouver un autre programme adapté dans un avenir proche. »

Article : « Capillary flow printing of submicrometre carbon nanotube transistors. » – Brittany N. Smith, Faris M. Albarghouthi, James L. Doherty, Xuancheng Pei, Quentin Macfarlane, Matthew Salfity, Daniel Badia, Marc Pascual, Pascal Boncenne, Nathan Bigan, Amin M’Barki & Aaron D. Franklin. Nature Electronics, 2025. DOI: 10.1038/s41928-025-01470-7

Source : Duke