Foldbar siliciumbaseret elektronik overvinder skrøbelighedsproblem

(Phys.org) —Forskere har udviklet en metode til fremstilling af siliciumbaseret elektronik, der kan strækkes og foldes uden skader, omgå problemet med ekstrem skrøbelighed, som ultratynde fleksible siliciummaterialer traditionelt står over for.

Forskerne, ledet af Muhammad Mustafa Hussain ved King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), har udgivet et papir om den foldbare siliciumbaserede elektronik i en nylig udgave af Anvendt fysik bogstaver .

Det meste af den fleksible elektronik, der udvikles i dag, er baseret på polymermaterialer, men polymerer har ringere halvledende egenskaber sammenlignet med silicium. Også, i modsætning til silicium, de fleste polymerer er ikke fuldt ud kompatible med de standardfremstillingsprocesser, der bruges i dagens halvlederindustri.

Hvis silicium kan vise sig at være mekanisk robust nok til at udholde den strækning og bøjning, der kræves af fleksibel elektronik, det ville potentielt tilbyde et ideelt materiale til realisering af kommerciel fleksibel elektronik i stor skala.

I den nye undersøgelse, forskerne tager et skridt mod dette mål ved at designe en siliciumbaseret enhed fremstillet af bulk "silicium" øer "forbundet med tynde, fleksible siliciumfjedre. De tykke øer giver mekanisk støtte, mens de tynde fjedre giver fleksibilitet.

En af de største udfordringer var at designe mikroskala fjedre på en sådan måde, at de forhindrede dem i at sno sig ind i hinanden, samtidig med at de stadig kan strække sig til flere gange deres oprindelige længde.

Selvom forskerne overvejede spiralformer og fraktalmønstre, det bedste design, de kom med, var inspireret af at efterligne naturens sfærulit-lamellære motiv, et mønster, der ligner de udstrålende linjer, der ofte ses i klipper. Eksperimenter viste, at dette geometriske design har fordelen ved at sprede den bøjningsinducerede belastning over hele fjederens længde.

På grund af de strækbare fjedre, den endelige enhed kan strækkes til mere end fem gange sit oprindelige areal. Fjedrene tillader også øerne at folde oven på hinanden, hvilket resulterer i en bøjningsradius på 130 µm, som er uafhængig af enhedens tykkelse.

"For et fuldt fleksibelt og strækbart system, vi skal gøre højtydende siliciumelektronik fleksibel og strækbar, "Fortalte Hussain Phys.org . "Imidlertid, i sin normale tilstand er silicium stift og omfangsrigt. Årevis, ved at tynde silicium eller lignende materialer ud det videnskabelige samfund har gjort silicium fleksibelt. Ved at vedtage forskellige fraktale designs, strækbarhed er også opnået. Imidlertid, sådan ultratyndt fleksibelt silicium er skrøbeligt, så når den er strakt, den bevarer ofte ikke sin mekaniske integritet. Derfor, vores arbejde løser afgørende alle disse bekymringer ved at vise en state-of-the-art CMOS-kompatibel proces til opnåelse af fleksibelt og strækbart silicium med tilstrækkelig mekanisk stringens. "

Da de nye mønsterprocesser er kompatible med nuværende halvlederfabrikationsteknologier, forskerne forventer, at dette design enkelt kan anvendes til fremstilling af en lang række fleksible enheder. Potentielle applikationer omfatter bærbar elektronik, solceller, der passer til buede overflader, taktile displays, der foldes som origami, og 3D-stabling af integrerede kredsløb. En anden mulighed er aftagelige elektroniske komponenter, som er en vigtig del af selvødelæggelig elektronik-enheder, der kan ødelægge sig selv, når de fornemmer, at deres sikkerhed trues.

"Vi undersøger nye applikationsmuligheder for elektronik til at styrke menneskeheden, "Hussain sagde." Vores nuværende arbejde indebærer udvikling af robuste fremstillbare processer til nye applikationer. I den forbindelse vores næste mål er at udvikle en beregnings -gadget, der kan strækkes og foldes efter behov. I fremtiden forestiller vi os også implanterbar elektronik, der kan omformes og omkonfigureres ved hjælp af de udviklede teknikker til at overholde den naturlige vækst af en persons kropsorganer. "

© 2017 Phys.org