Bestræbelser på at masseproducere fleksibel elektronik i nanoskala

Forskere fra Case Western Reserve University har vundet en bevilling på 1,2 millioner dollars til at udvikle teknologi til masseproduktion af fleksible elektroniske enheder på et helt nyt niveau af små.

Mens de udtænker nye værktøjer og teknikker til at gøre ledninger smallere end en partikel af røg, de skaber også måder at bygge dem i fleksible materialer og pakke elektronikken i vandtætningslag af holdbart plastik.

Teamet af ingeniører, som er specialiseret inden for forskellige områder, i sidste ende har til formål at bygge fleksibel elektronik, der bøjer sig med livets realiteter:Sundhedsovervågningssensorer, der kan bæres på eller under huden og foldbare elektroniske enheder så tynde som et stykke plastikfolie. Og, længere nede ad vejen, implanterbare nervestimulerende elektroder, der sætter patienter i stand til at genvinde kontrollen fra lammelser eller mestre en protese.

Tænker større, holdet mener, at teknologien kan bruges til at skrue ruller af tyndfilmssolpaneler ud, der holder sig op til årtier i elementerne. Nuværende tyndfilmspaneler er plaget med korte levetider på grund af nedsivning mellem lagene.

"Den kommercielle udvikling af nanoelektromekaniske systemer er begrænset af adgang til billige, høj output – vi kalder det 'throughput' – behandlingsværktøjer, sagde Christian Zorman, en lektor i elektroteknik og datalogi og hovedforsker på bevillingen. "Vi forsøger at løse den flaskehals."

Med dette fireårige National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program-tilskud, Zorman og hans kolleger vil skubbe alternative teknologier, de har skabt, til at lave ledninger og andre metalstrukturer på mindre end 100 nanometer, hvilket er omkring 1/10 af diameteren af ​​en røgpartikel.

I øjeblikket, enheder, der kombinerer elektroniske og mekaniske funktioner, bliver gjort så små ved hjælp af elektronstrålelitografi. Men elektronstråler er for energiske til at bruge på fleksibel plast og kræver meget højt vakuum, hvilket begrænser gennemløbet betydeligt, , er dyrt og meget tidskrævende – alle hindringer for masseproduktion.

Brug af inkjet-printere til at bygge små enheder har vist sig billigt og effektivt, men det har været svært at komme ned i nanometrene.

Philip Feng, en assisterende professor i elektroteknik og datalogi, har specialiseret sig i nanofabrikation og enheder. Joao Maia, en lektor i makromolekylær videnskab og teknik, er ekspert i at fremstille nanolagspolymerer.

R. Mohan Sankaran, en lektor i kemiteknik, udviklet teknologien til at bruge mikroplasma som et produktionsværktøj. Zorman brugte de sidste to årtier på at udvikle teknikker, der blev brugt til at bygge mikroelektromekaniske enheder til barske miljøer og biomedicinske applikationer.

Da Feng og Zorman så Sankarans arbejde, "indså vi, at dette kunne revolutionere produktionen i nanoskala, " sagde Zorman.

Et plasma er en tilstand af stof, der ligner en gas, men en del er ioniseret, det vil sige, at partikler får eller taber elektroner og bliver ladet. En gnist er et eksempel på et plasma, men det er varmt og ukontrollerbart.

Sankaran laver et kontrollerbart mikroplasma ved at ionisere argongas, da det pumpes ud af et rør en hårbredde på tværs. "Plasmaet er som en blyant, "Sankaran sagde, "Du kan bruge den til at tegne en linje eller et hvilket som helst mønster, du ønsker."

For at komme ned til nanometer, Feng skal lave stencils af ledninger i nanostørrelse, kredsløb og andre ønskede former. Han vil bruge et holdbart siliciumcarbidmateriale, som Zorman har udviklet.

"For at komme til 100 nanometer eller mindre, " sagde Feng, "Vi skal studere lovene om skalering, de anvendte materialer, og reaktioner, som et mikroplasma kan inducere, såsom reaktioner på overfladen af ​​en polymer og inde i polymeren, og at sammenligne denne proces side om side med elektronstrålelitografien."

Når de skalerer ned, Maia vil fokusere på at forsegle elektronikken mod fugt.

"Mange mennesker arbejder med fleksibel elektronik, men problemet er, at produktets levetid er kort, fordi fugt trænger ind og nedsætter modstanden, kortslutter eller korroderer elektronikken, " sagde Maia. "Hvis du skal skifte din fleksible enhed ud hver anden uge eller anden måned, det er ikke så godt."

Maia vil lave ark af polymerer, der inkluderer et nanolag indlejret med metalsalte, såsom sølvnitrid eller guldklorid. Disse er forløberne for de ledninger og metalliske strukturer, der er nødvendige for at fremstille elektronikken.

Arket ruller gennem en produktionslinje og holder pause under stencils. Et sæt mikroplasmaer over stencilerne affyres.

I foreløbige test på et stationært stykke film, elektroner fra mikroplasmaet bevæger sig gennem stencilen og ind i polymeren, hvor de omdanner metalsaltene til ledende kæder af metalpartikler, der danner ledninger og strukturer, som spraymaling og en stencil danner bogstaver og tal.

Arket kan derefter dyppes i en opløsning for at opløse de ueksponerede metalsalte, skal genbruges.

Flere lag eller kombinationer af lag vil blive tilføjet for at gøre arket vandtæt.

Hvis der er behov for flere enheder eller emballagelag, arkene kan løkkes tilbage gennem processen.

Oprindeligt, Maia og Zorman havde ledet to hold, der planlagde at forfølge denne NSF-bevilling, men deres arbejde passede så godt, de besluttede at arbejde sammen. Personale og fakultet ved Institute of Advanced Materials på Case School of Engineering hjalp med at forbinde holdet.

"Dette er et virkelig et tværfagligt forslag, " sagde Zorman. "Avanceret fremstilling skal være det."

Bevillingen kommer kun seks uger efter, at Case Western Reserve, Carnegie Mellon University og National Center for Defense Manufacturing ledede fem dusin organisationer på tværs af Ohio, Pennsylvania og West Virginia i at vinde et føderalt produktionstilskud på 30 millioner dollars. Det nydannede National Additive Manufacturing Innovation Institute, hvis medlemmer har tilføjet yderligere $40 millioner i finansiering, er pilotindsatsen for et ambitiøst initiativ til at transformere produktionen i hele landet.