一种名为纳米纤维素的木质绝缘介质墨水，开辟全功能晶体管可回收利用新途径

美国杜克大学工程师开发了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品：由3种碳基墨水制成的晶体管。研究人员希望以此激发新一代可循环利用的电子产品的研发，以帮助解决日益增长的全球电子垃圾问题。相关研究发表在26日的《自然·电子学》杂志上。

制作晶体管和集成电路的原料一般是硅片，很难回收利用。据联合国估计，每年丢弃的数百万公斤电子产品中，只有不到1/4被回收利用。

在新研究中，杜克大学电气与计算机工程教授亚伦·富兰克林及其团队展示了一种完全可回收的全功能晶体管，其由3种碳基墨水制成，可以轻易打印到纸张或其他柔韧环保材料的表面。碳纳米管和石墨烯墨水分别用于半导体和导体。富兰克林说，这些材料在印刷电子产品领域并不新鲜，开辟可回收利用新途径的是一种名为纳米纤维素的木质绝缘介质墨水。

纳米纤维素可生物降解，多年来一直用于包装等领域。此次，研究人员开发出一种悬浮纳米纤维素晶体的方法，这种晶体从木材纤维中提取出来，在上面洒上少许食盐，就可以产生一种墨水，作为打印晶体管的绝缘体。在室温下将这3种墨水放在喷墨打印机中，打印出的全碳晶体管性能良好，可以广泛应用。

将打印出的晶体管浸入一系列水槽中，用声波轻轻震动它们，并对产生的溶液进行离心，可依次回收碳纳米管和石墨烯，平均回收率接近100%。此外，两种材料都可以在相同的印刷过程中重复使用，性能几乎无损。由于纳米纤维素是由木材制成的，其与印刷纸均可被回收利用。

富兰克林表示，像这样的可回收电子产品不可能完全取代芯片，而且当前研究离打印可回收的计算机处理器还很远。但这种完全可回收的多功能印刷晶体管为我们开发出拥有可循环“生命周期”的新型电子产品奠定了基础。

总编辑圈点

用二维纳米材料，可以印刷电路，制作电子元器件甚至晶体管。当然，和传统晶体管相比，这类晶体管在性能上还有一定差距。这次，科研人员改良了打印晶体管的“墨水”，用了悬浮纳米纤维素晶体+食盐的新“配方”。这一配方的最大亮点，就是“可回收”。电子垃圾是摆在人类面前的棘手问题，电子产品的更新换代越来越快，电子垃圾也越来越多。制备可完全回收的碳基材料晶体管，也为可循环使用的新型电子产品制造工艺探了路。

晶体管——20世纪最伟大的发明

现代电子晶体管是一种半导体器件，常用来放大或切换电子信号。晶体管是由一块固体的半导体材料制成，至少有三个端子，用于连接外部电路。在晶体管的一对端子上施加电压或电流，就会改变流经另一对端子的电流。由于受控(输出)功率可以比控制(输入)功率大得多，晶体管提供了信号的放大作用。晶体管是现代电子设备的基本构件，被用于无线电、电话、计算机和其他电子系统。有些晶体管是单独封装的，但大多数晶体管是在集成电路中出现的。

正如许多发明的情况一样，晶体管是许多发明家的成果，只有最后的发明家或最聪明的发明家才会获得所有的荣誉——这些人便是美国人约翰-巴丁、威廉-肖克利和沃尔特-布拉坦，他们因发明晶体管而于1956年获得诺贝尔物理学奖，该发明被称为20世纪最重要的发明。

然而，谁是第一个呢?

半导体研究的开端是以迈克尔-法拉第于1833年关于硫化银电阻负温度系数的报告为标志的。这是第一次观察到任何半导体特性。在他1833年的论文"Experimental Researches in Electricity"中，法拉第披露了这一观察结果。这一观察结果与金属和电解质的通常特性不同，后者的电阻随温度增加。

法拉第

下一个对半导体领域有重大贡献的是法国实验物理学家埃德蒙-贝克勒尔。1839年，他报告了氯化银涂层铂电极的光电压观察。在他的实验中，将涂有AgCl的铂电极浸入硝酸水电解质溶液中。照亮电极产生光电压，改变了电池产生的电磁场，事实上，它在AgCl涂层电极上产生了还原性(阴极)光电流;这是第一个被报道的光伏装置。光伏是在Ag/AgCl金属半导体接触处产生的。

1873年，英国电气工程师威洛比-史密斯(1828-1891)(见附近的画像)得出了硒的光导性的发现。他最初的工作是与海底电缆。他开始用硒进行实验，因为它的高电阻，似乎适合他的海底电报。不同的实验者测量了硒棒的电阻，但他们在不同条件下测量的电阻完全不一致。后来史密斯发现，电阻实际上取决于入射光的强度。当把硒条放在滑盖关闭的盒子里面时，电阻是最高的。当把各种颜色的玻璃杯放在光的路上时，电阻会根据通过玻璃的光量而变化。但当揭去盖子后，电导率就会增加。他还发现，这种效应并不是由于温度变化造成的。

威洛比-史密斯

1874年，德国物理学家费迪南德-布劳恩，一位24岁的柏林大学毕业生，在维尔茨堡大学研究导电的电解质和晶体的特性。当他用一根细金属线的尖端探查方铅晶体(硫化铅)时，布劳恩注意到电流只在一个方向自由流动。他发现了金属与某些晶体材料接触点的整流效应。

费迪南德-布劳恩

1876年11月14日，布劳恩在莱比锡向听众演示了这种半导体装置，但直到20世纪初无线电的出现，它才被用作"晶体收音机"中的信号检测器，才得到有用的应用。一般描述性的名称"猫须"探测器是来自于用于与晶体表面进行电接触的细金属探针。布劳恩比较出名的是他在1897年开发的阴极射线管(CRT)示波器，被称为"布劳恩管"(德语为Braunsche Röhre)。由于他对无线电报发展的贡献，主要是开发了用于无线电接收器的可调谐电路，他与Guglielmo Marconi分享了1909年的诺贝尔奖。

而第一个将半导体应用于实际目的是孟加拉的多面手Jagadish Chandra Bose爵士(1858-1937)。Jagadish Chandra Bose是一位天才的物理学家、生物学家、植物学家、考古学家和科幻小说作家。

Jagadish Chandra Bose

为了接收辐射，Jagadish Chandra Bose使用了各种不同的金属半导体结与高灵敏度的电流计串联起来。他发明了几种半导体装置，首先是他在1894-1898年期间的一段时间里发明的盖莱纳探测器，并在1900年的《皇家学会讲演》中进行了演示。在这个装置中，一对点触头(猫须)，在这种情况下是镓，与电压源和电流计串联起来。这个装置可以检测任何一种辐射，赫兹波、光波和其他辐射。他把他的镓点接触探测器称为人工视网膜(因为通过适当的安排，它可以只探测光波)，是一种通用辐射计。Bose后来获得了世界上第一个半导体设备的专利，即Galena探测器。在他的其他开创性的固态半导体接收器中，有螺旋弹簧相干器和铁汞铁相干器(探测器)与电话。

在1902年至1906年间，美国电话电报电气工程师Greenleaf Whittier Pickard(1877-1956)测试了数千种矿物样品，以评估其整流特性。西屋公司的硅晶体产生了一些最好的结果。1906年8月20日，他为硅点接触探测器(二极管)申请了"通过电波接收智能通信的手段"的美国专利，并于当年11月获得授权(见皮卡德的美国专利836531)。皮卡德与两个合伙人成立了无线特种仪器公司，推销"猫须"晶体无线电探测器。它可能是第一家制造和销售硅半导体器件的公司。另一位美国发明家--亨利-邓伍迪在皮卡德之后几周就获得了使用碳化硅(carborundum)制成的点接触探测器的系统专利。

Greenleaf Whittier Pickard

1915年美国物理学家曼森-本尼迪克斯发现锗晶体可以用来将AC(交流电)电流转换成DC(直流电)，即锗晶体的整流特性。于是，锗被列入了半导体的行列。在此之前，它是由硅、硒和碲组成的一个短名单。

1927年，美国人L.O.Grondahl和P.H.Geiger发明了氧化铜整流器。1927年8月23日，美国专利1640335颁发给Grondahl。

1925年，着名的发明家Julius Lilienfeld在加拿大申请专利，第二年在美国申请专利，描述了一种装置，非常类似于MESFET晶体管，他称之为当时控制电流的方法和装置(见Lilienfeld的美国专利1745175)。

Julius Edgar Lilienfeld

Julius Edgar Lilienfeld(1882-1963)是物理学和电子学领域的杰出人物。奥地利犹太人Lilienfeld出生于奥匈帝国的Lemberg(现在叫乌克兰的Lviv)。他接受过教育(物理学博士)，并在德国生活到20世纪20年代中期，当时他决定移民到美国。除了上述第一个晶体管的专利外，他还是该领域其他几项专利的持有者--1928年美国专利1900018"控制电流的装置"，用于薄膜MOSFET晶体管;1928年美国专利1877140"电流放大器"，用于控制电流流动的多孔金属层的固态装置，这是真空管的固态版本;1931年美国专利2013564"电解电容器"，用于第一个电解电容器。当Brattain、Bardeen和Shockley试图为他们的晶体管申请专利时，他们的大部分要求都被拒绝了即由于Lilienfeld的专利。

Heil专利1935年1934年，另一位德国科学家--Oskar Heil(1908-1994)，电气工程师和发明家，为一种早期的晶体管类装置申请了德国专利，描述了用电场控制半导体材料中电阻的可能性，他称之为"电子放大器和其他控制安排和装置的改进"。1935年，海尔为他的装置获得了英国、比利时和法国的专利。

Britsh专利图

第一个晶体管1947年1939年，新泽西州贝尔电话实验室的研究人员William Shockley和Walter Brattain通过在氧化铜层中插入一个微小的控制栅格来制造一个半导体放大器，但没有成功。第二次世界大战结束了他们的实验。

然而在1947年，同样是Brattain，这次他和John Bardeen一起发明了点接触晶体管(由锗制成)。威廉-肖克利(团队负责人)当时不在现场，没有得到发明的功劳，这让他非常生气。这也就罢了。点接触晶体管制造困难，可靠性不高。这也不是肖克利想要的晶体管，所以他继续研究自己的想法，这才有了结晶体管，这种晶体管更容易制造，效果也更好。Bardeen和Brattain于1948年6月17日提交了专利申请，专利于1950年10月3日颁发。

William Shockley几乎在同一时间为结晶体管申请了他的第一个专利--美国专利2569347于1948年6月26日申请，1951年9月25日颁发(见Shockley的第一个专利)。

John Bardeen(1908-1991)、William Bradford Shockley(1910-1989)和Walter Houser Brattain(1902-1987)，(见下图)在1956年分享了诺贝尔物理学奖，"以表彰他们对半导体的研究和发现晶体管效应"。

Bardeen(左)、Shockley(中)和Brattain(右)

那么，晶体管是如何工作的呢?

晶体管是如何工作的晶体管的设计使它可以作为一个放大器或开关。晶体管的设计使它可以作为一个放大器或开关来使用，这是通过使用少量的电力来控制一个大得多的电力供应的栅极来实现的，就像转动阀门来控制水的供应一样。

晶体管由三部分组成，称为基极、集电极和发射极。基座是较大电力供应的栅极控制装置。集电极是较大的电源，而发射器是该电源的出口。通过从基座发出不同水平的电流，可以调节从集电极流过栅极的电流量。通过这种方式，可以用非常小的电流来控制大量的电流，就像在放大器中一样。同样的过程用于创建数字处理器的二进制代码，但在这种情况下，需要一个五伏的电压阈值来打开集电极栅极。这样一来，晶体管就被用作一个具有二进制功能的开关：五伏-开，小于五伏-关。