Ny vej til flex- og stretchelektronik:Forskere udvikler løsningsbaseret fremstillingsteknik

(PhysOrg.com) - Prægning af elektroniske kredsløb på bagfly, der både er fleksible og strækbare, lover at revolutionere en række industrier og gøre "smarte enheder" næsten allestedsnærværende. Blandt de applikationer, der er blevet forestillet, er elektroniske puder, der kan foldes væk som papir, belægninger, der kunne overvåge overflader for revner og andre strukturelle fejl, medicinske bandager, der kunne behandle infektioner og fødevareemballage, der kunne opdage fordærv. Fra solceller til pacemakere til tøj, listen over smarte applikationer til såkaldt "plastikelektronik" er både fleksibel og strækbar. Først, imidlertid, passende backplanes skal masseproduceres på en omkostningseffektiv måde.

Forskere med DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en lovende ny billig teknik til fremstilling af fleksible og strækbare bagplaner i stor skala ved hjælp af halvlederberigede kulstofnanorørløsninger, der giver netværk af tyndfilmstransistorer med fremragende elektriske egenskaber, herunder en afgiftsbærermobilitet, der er dramatisk højere end for organiske modparter. For at demonstrere nytten af ​​deres kulstof nanorør bagplan, forskerne konstruerede en kunstig elektronisk hud (e-skin), der er i stand til at detektere og reagere på berøring.

"Med vores løsningsbaserede behandlingsteknologi, vi har produceret mekanisk fleksible og strækbare backplanes med aktiv matrix, baseret på fuldt passiverede og meget ensartede arrays af tyndfilmstransistorer lavet af enkeltvæggede kulstofnanorør, der jævnt dækker områder på cirka 56 kvadratcentimeter, " siger Ali Javey, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en professor i elektroteknik og datalogi ved University of California (UC) Berkeley. "Denne teknologi, i kombination med inkjetprint af metalkontakter, skulle give litografifri fremstilling af billig fleksibel og strækbar elektronik i fremtiden."

Javey er den tilsvarende forfatter til et papir i tidsskriftet Nano bogstaver der beskriver dette værk med titlen "Carbon Nanotube Active-Matrix Backplanes for Conformal Electronics and Sensors." Medforfatter til dette papir var Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies og Ronald Fearing.

Med så høj efterspørgsel efter plastikelektronik, forskning og udvikling på dette område har været intens i det sidste årti. Single walled carbon nano tubes (SWNT'er) er dukket op som et af de mest konkurrerende halvledermaterialer til plastelektronik, primært fordi de har høj mobilitet for elektroner - et mål for hvor hurtigt en halvleder leder elektricitet. Imidlertid, SWNT'er kan have form af enten en halvleder eller et metal, og en typisk SWNT-løsning består af to tredjedele halvledende og en tredjedel metalliske rør. Denne blanding giver nanorørnetværk, der udviser lave tænd/sluk -strømforhold, hvilket udgør et stort problem for elektroniske applikationer som hovedforfatter af NanoLetters -papiret Takahashi forklarer.

"Et tænd/sluk-strømforhold så højt som muligt er afgørende for at reducere afbrydelsen fra pixels i en off-tilstand, " siger han. "F.eks. med vores e-skin-enhed, når vi kortlægger tryk, vi ønsker kun at få signalet fra den on-state pixel, som tryk påføres på. Med andre ord, vi ønsker at minimere strømmen så lille som muligt fra de andre pixels, som formodes at være slukket. Til dette har vi brug for et højt tænd/sluk-strømforhold."

For at lave deres bagplan, Javey, Takahashi og deres medforfattere brugte en SWNT-løsning beriget til at være 99 procent halvlederrør. Denne højt oprensede løsning gav forskerne et højt on/off-forhold (ca. 100) for deres backplanes. Arbejde med et tyndt substrat af polymid, -en

højstyrke polymer med overlegen fleksibilitet, de laserskårede et honeycomb-mønster af sekskantede huller, der gjorde underlaget også strækbart. Hullerne blev skåret med en fast stigning på 3,3 millimeter og en varieret hulsidelængde, der varierede fra 1,0 til 1,85 millimeter.

"I hvilken grad substratet kunne strækkes steg fra 0 til 60 procent, da sidelængden af ​​de sekskantede huller steg til 1,85 mm, "Siger Takahashi." I fremtiden vil graderne af strækbarhed og retningsbestemthed bør kunne indstilles ved enten at ændre hulstørrelsen eller optimere mesh-designet."

Backplanes blev afsluttet med aflejring på substraterne af lag af silicium og aluminiumoxider efterfulgt af de halvlederberigede SWNT'er. De resulterende SWNT tynde film transistor backplanes blev brugt til at skabe e-skin til rumlig tryk kortlægning. E-skindet bestod af et array af 96 sensorpixels, måler 24 kvadratcentimeter i areal, hvor hver pixel aktivt styres af en enkelt tyndfilmstransistor. For at demonstrere trykkortlægning, en L-formet vægt blev placeret oven på e-skin sensor arrayet med det normale tryk på ca. 15 kilo Pascals (313 pund pr. kvadratfod).

"I det lineære operationsregime, den målte sensorfølsomhed afspejlede en tredobbelt forbedring sammenlignet med tidligere nanotråd-baserede e-skin-sensorer rapporteret sidste år af vores gruppe, " Takahashi siger. "Denne forbedrede følsomhed var et resultat af den forbedrede enhedsydelse af SWNT-bagplanene. I fremtiden bør vi være i stand til at udvide vores backplane-teknologi ved at tilføje forskellige sensorer og/eller andre aktive enhedskomponenter for at muliggøre multifunktionelle kunstige skind. Ud over, SWNT-bagpladen kunne bruges til fleksible skærme."