Ingeniører blander og matcher materialer for at lave ny elastisk elektronik

Kernen i enhver elektronisk enhed er en forkølelse, hård computerchip, dækket af en miniatureby af transistorer og andre halvledende elementer. Fordi computerchips er stive, de elektroniske enheder, de driver, såsom vores smartphones, bærbare computere, ure, og fjernsyn, er ligeledes ufleksible.

Nu kan en proces udviklet af MIT-ingeniører være nøglen til at producere fleksibel elektronik med flere funktioner på en omkostningseffektiv måde.

Processen kaldes "fjern epitaxy" og involverer dyrkning af tynde film af halvledende materiale på en stor, tyk skive af samme materiale, som er dækket af et mellemlag af grafen. Når først forskerne vokser en halvledende film, de kan skrælle det væk fra den grafen-dækkede wafer og derefter genbruge waferen, hvilket i sig selv kan være dyrt afhængigt af hvilken type materiale det er lavet af. På denne måde, holdet kan kopiere og skrælle et vilkårligt antal tynde, fleksible halvledende film, ved hjælp af den samme underliggende skive.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , forskerne demonstrerer, at de kan bruge fjernbetjent epitaxy til at producere fritstående film af ethvert funktionelt materiale. Vigtigere, de kan stable film fremstillet af disse forskellige materialer, at producere fleksibel, multifunktionelle elektroniske enheder.

Forskerne forventer, at processen kan bruges til at producere elastiske elektroniske film til en lang række anvendelser, herunder virtual reality-aktiverede kontaktlinser, soldrevne skind, der former sig efter din bils konturer, elektroniske stoffer, der reagerer på vejret, og anden fleksibel elektronik, der indtil nu syntes at være noget af Marvel -film.

"Du kan bruge denne teknik til at blande og matche alt halvledende materiale for at få ny enhedsfunktionalitet, i en fleksibel chip, "siger Jeehwan Kim, en lektor i maskinteknik på MIT. "Du kan lave elektronik i enhver form."

Købstid

Kim og hans kolleger rapporterede deres første resultater ved hjælp af remote epitaxy i 2017. Derefter, de var i stand til at producere tynde, fleksible film af halvledende materiale ved først at lægge et lag grafen på et tykt, dyr wafer lavet af en kombination af eksotiske metaller. De flød atomer af hvert metal over den grafen-dækkede wafer og fandt atomer dannede en film oven på grafen, i samme krystalmønster som den underliggende skive. Grafenen gav en nonstick -overflade, hvorfra forskerne kunne fjerne den nye film, efterlader den grafen-dækkede wafer, som de kunne genbruge.

I 2018, teamet viste, at de kunne bruge fjernt epitaxy til at lave halvledende materialer fra metaller i gruppe 3 og 5 i det periodiske system, men ikke fra gruppe 4. Årsagen, de fandt, kogt ned til polaritet, eller de respektive ladninger mellem atomer, der flyder over grafen og atomerne i den underliggende skive.

Siden denne erkendelse, Kim og hans kolleger har prøvet en række stadig mere eksotiske halvledende kombinationer. Som rapporteret i dette nye papir, teamet brugte fjern epitaxy til at lave fleksible halvledende film af komplekse oxider - kemiske forbindelser fremstillet af ilt og mindst to andre elementer. Komplekse oxider har en bred vifte af elektriske og magnetiske egenskaber, og nogle kombinationer kan generere en strøm, når de fysisk strækkes eller udsættes for et magnetfelt.

Kim siger, at evnen til at fremstille fleksible film af komplekse oxider kan åbne døren til nye energibesparende enheder, såsom plader eller belægninger, der strækker sig som reaktion på vibrationer og producerer elektricitet som følge heraf. Indtil nu, komplekse oxidmaterialer er kun blevet fremstillet på stive, millimeter tykke skiver, med begrænset fleksibilitet og derfor begrænset energiproducerende potentiale.

Forskerne skulle justere deres proces for at lave komplekse oxidfilm. De fandt oprindeligt ud af, at da de forsøgte at lave et komplekst oxid, såsom strontiumtitanat (en forbindelse af strontium, titanium, og tre iltatomer), iltatomerne, som de flød over grafen, havde en tendens til at binde med grafenets carbonatomer, ætsning af stykker af grafen i stedet for at følge det underliggende skivemønster og binde med strontium og titanium. Som en overraskende enkel løsning, forskerne tilføjede et andet lag grafen.

"Vi så, at da det første lag grafen var ætset af, oxidforbindelser er allerede dannet, så elementær ilt, når det danner disse ønskede forbindelser, interagerer ikke så stærkt med grafen, "Kim forklarer." Så to lag grafen køber noget tid, før denne forbindelse dannes. "

Skræl og stak

Teamet brugte deres nyjusterede proces til at lave film af flere komplekse oxidmaterialer, skrælle hvert 100-nanometer-tynde lag af, som det blev lavet. De var også i stand til at stable lag af forskellige komplekse oxidmaterialer sammen og effektivt lime dem sammen ved at varme dem lidt op, producere en fleksibel, multifunktionel enhed.

"Dette er den første demonstration af stabling af flere nanometertynde membraner som LEGO-blokke, hvilket har været umuligt, fordi alle funktionelle elektroniske materialer findes i en tyk skiveform, "Siger Kim.

I et forsøg, holdet stablede film af to forskellige komplekse oxider sammen:koboltferrit, kendt for at ekspandere i nærvær af et magnetfelt, og PMN-PT, et materiale, der genererer spænding, når det strækkes. Da forskerne udsatte flerlagsfilmen for et magnetfelt, de to lag arbejdede sammen for både at ekspandere og producere en lille elektrisk strøm.

Resultaterne viser, at remote epitaxy kan bruges til at lave fleksibel elektronik fra en kombination af materialer med forskellige funktionaliteter, som tidligere var vanskelige at kombinere til en enhed. For koboltferrit og PMN-PT, hvert materiale har et andet krystallinsk mønster. Kim siger, at traditionelle epitaxy -teknikker, som dyrker materialer ved høje temperaturer på en skive, kan kun kombinere materialer, hvis deres krystallinske mønstre matcher. Han siger, at med fjern epitaxy, forskere kan lave et vilkårligt antal forskellige film, ved hjælp af forskellige, genanvendelige skiver, og derefter stable dem sammen, uanset deres krystallinske mønster.

"Det store billede af dette værk er, du kan kombinere helt forskellige materialer ét sted sammen, "Siger Kim." Nu kan du forestille dig en tynd, fleksibel enhed lavet af lag, der inkluderer en sensor, computersystem, et batteri, en solcelle, så du kunne have en fleksibel, selvstyrende, internet-of-things-stakket chip. "

Teamet undersøger forskellige kombinationer af halvledende film og arbejder på at udvikle prototype -enheder, såsom noget Kim kalder en "elektronisk tatovering" - en fleksibel, transparent chip, der kan vedhæfte og tilpasse sig en persons krop til at fornemme og trådløst videresende vitale tegn som temperatur og puls.

"Vi kan nu lave tynde, fleksibel, bærbar elektronik med den højeste funktionalitet, "Siger Kim." Bare skræl af og stak op. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.