Kanapka półprzewodnikowa może umożliwić rozciągliwą elektronikę

Istnieje bariera uniemożliwiająca pojawienie się prawdziwie elastycznych systemów elektronicznych, potrzebnych do zaawansowanych interfejsów człowiek-maszyna, sztucznej skóry, inteligentnej opieki zdrowotnej i nie tylko, ale zespół badawczy kierowany przez Penn State mógł znaleźć sposób na jej obejście.

Według głównego badacza Cunjiang Yu, który jest adiunktem Dorothy Kuegel ds. Naukowcy osiągnęli tę właściwość w większości komponentów, z wyjątkiem jednego typu półprzewodnika, o którym wiadomo, że jest kruchy. Teraz Yu i jego międzynarodowy zespół opracowali podejście do kompensacji słabych, kruchych półprzewodników, aby zbliżyć pole do w pełni elastycznych systemów.

Swoje prace opublikowali m.in Elektronika natury.

„Ta technologia wymaga elastycznego, rozciągliwego półprzewodnika, który jest podstawowym materiałem potrzebnym do umożliwienia obwodów scalonych, które są niezbędne dla technologii, która umożliwia nasze komputery, telefony i wiele innych, ale te półprzewodniki są zasadniczo typu p”, powiedział Yu, odnosząc się do materiału, który przewodzi prąd głównie przez dodatnio naładowane ruchome otwory. „Jednak uzupełniająca zintegrowana elektronika, optoelektronika, złącza p-n i wiele innych – również wymagają półprzewodników typu n”.

Półprzewodniki typu N przewodzą głównie elektryczność przez elektrony ujemne, które przenoszą ładunek, aw połączeniu z półprzewodnikami typu p mogą działać jak przełącznik, z prądem płynącym w jednym kierunku. Często są sztywne i potrzebne są pewne strategie, aby uczynić je bardziej rozciągliwymi mechanicznie, aby uzyskać w pełni rozciągliwe tranzystory i obwody z półprzewodnikami typu n, według Yu.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy umieścili półprzewodniki typu n między dwoma gumowymi materiałami zwanymi elastomerami, które są polimerami, które mogą się rozciągać i powracać do swojego pierwotnego kształtu.

„Odkryliśmy, że struktura stosu poprawia mechaniczną rozciągliwość i hamuje tworzenie i propagację mikropęknięć w kruchym półprzewodniku typu n” – powiedział Yu, wyjaśniając, że mikropęknięcia to małe defekty strukturalne, które pojawiają się, gdy półprzewodnik typu n jest rozciągany. Mogą pogorszyć parametry elektryczne i doprowadzić do uszkodzeń mechanicznych.

Yu powiedział, że zespół poddał stos serii testów wytrzymałościowych i stabilności, z których wszystkie przeszły pomyślnie. Wykorzystali również stos do wytworzenia rozciągliwych tranzystorów i zintegrowanych układów elektronicznych.

„Elastyczne tranzystory utrzymywały wysoką wydajność urządzenia nawet po rozciągnięciu o 50% w dowolnym kierunku” – powiedział Yu. „Urządzenia wykazywały również długotrwałą, stabilną pracę przez ponad 100 dni w środowisku otoczenia”.

Według Yu stabilność w otaczającym środowisku jest szczególnie korzystna, ponieważ półprzewodniki typu n mogą stracić swoją wydajność pod wpływem tlenu i wilgoci. Umieszczone pomiędzy tworzywami sztucznymi półprzewodniki są skutecznie osłonięte przed żywiołami.

Następnie, powiedział Yu, zespół będzie kontynuował prace nad poprawą wydajności ułożonych w stos materiałów i optymalizacją tworzenia warstw w celu zmniejszenia gęstości mikropęknięć.

„Teraz mamy gumowe półprzewodniki typu n, a wkrótce będziemy mieć gumowe układy scalone typu n” – powiedział Yu. — Czy to nie ekscytujące?

Yu jest również powiązany z Instytutem Badań Materiałowych w Pensylwanii oraz Wydziałem Nauki i Inżynierii Materiałowej w Szkole Nauk o Ziemi i Minerałów. Współautorami badań byli absolwenci Penn State Department of Engineering Sciences and Mechanics Shubham Patel i Seonmin Jang oraz były badacz z tytułem doktora Hyunseok Shim, obecnie związany z Pusan ​​National University w Korei, wraz z byłymi studentami UH Kyosung Sim i Yongkao Chang. Pengao Wang, Uniwersytet Południowo-Wschodnich Chin; i turbina C. Marks i Antonio Facchetti z Northwestern University. Sim jest teraz powiązany z Ulsan National Institute of Science and Technology w Korei. Facchetti jest również powiązany z Flexterra Inc.

Badania te były wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej, Narodową Fundację Nauki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych oraz Centrum Nauki o Materiałach i Badań Inżynieryjnych na Northwestern University.