Fleksible carbon nanorør-kredsløb gjort mere pålidelige, strømeffektiv

Ingeniører ville elske at oprette fleksible elektroniske enheder, såsom e-læsere, der kan foldes sammen, så de passer ind i en lomme. En tilgang, de prøver, indebærer at designe kredsløb baseret på elektroniske fibre, kendt som carbon nanorør (CNT'er), i stedet for stive siliciumspåner.

Men pålidelighed er afgørende. De fleste siliciumchips er baseret på en type kredsløbsdesign, der giver dem mulighed for at fungere fejlfrit, selv når enheden oplever strømudsving. Imidlertid, det er meget mere udfordrende at gøre det med CNT-kredsløb.

Nu har et team hos Stanford udviklet en proces til at skabe fleksible chips, der kan tolerere strømudsving på nogenlunde samme måde som siliciumkredsløb.

"Dette er første gang nogen har designet et fleksibelt CNT-kredsløb, der både har høj immunitet over for elektrisk støj og lavt strømforbrug, " sagde Zhenan Bao, en professor i kemiteknik i Stanford med en høflighedsaftale i kemi og materialevidenskab og teknik.

Gruppen rapporterede sine resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences . Huiliang (Evan) Wang, en kandidatstuderende i Baos laboratorium, og Peng Wei, en tidligere postdoc i Baos laboratorium, var avisens hovedforfattere. Baos team omfattede også Yi Cui, en lektor i materialevidenskab ved Stanford, og Hye Ryoung Lee, en kandidatstuderende i sit laboratorium.

I princippet, CNT'er bør være ideelle til at lave fleksible elektroniske kredsløb. Disse ultratynde kulfilamenter har den fysiske styrke til at tage slid ved bøjning, og den elektriske ledningsevne til at udføre enhver elektronisk opgave.

Men indtil dette nylige arbejde fra Stanford -teamet, fleksible CNT-kredsløb havde ikke pålideligheden og strømeffektiviteten som stive siliciumchips.

Her er grunden. Over tid, ingeniører har opdaget, at elektricitet kan rejse gennem halvledere på to forskellige måder. Det kan hoppe fra positivt hul til positivt hul, eller det kan skubbe igennem en flok negativ elektronik som en perlehalskæde. Den første type halvleder kaldes en P-type, den anden kaldes og N-type.

Mest vigtigt, ingeniører opdagede, at kredsløb baseret på en kombination af P-type og N-type transistorer fungerer pålideligt, selv når der opstår strømudsving, og de bruger også meget mindre strøm. Denne type kredsløb med både P-type og N-type transistorer kaldes komplementær kredsløb. I løbet af de sidste 50 år er ingeniører blevet dygtige til at skabe denne ideelle blanding af ledende baner ved at ændre siliciums atomare struktur gennem tilsætning af små mængder nyttige stoffer – en proces kaldet "doping", der konceptuelt er beslægtet med, hvad vores forfædre gjorde tusindvis. år siden, da de rørte tin i smeltet kobber for at skabe bronze.

Udfordringen for Stanford-teamet var, at CNT'er hovedsageligt er halvledere af P-typen, og der var ingen let måde at dope disse kulfilamenter på for at tilføje N-type egenskaber.

PNAS -papiret forklarer, hvordan Stanford -ingeniørerne overvandt denne udfordring. De behandlede CNT'er med et kemisk dopemiddel, de udviklede kendt som DMBI, og de brugte en inkjetprinter til at deponere dette stof på præcise steder på kredsløbet.

Dette markerede første gang et fleksibelt CNT-kredsløb er blevet dopet for at skabe en P-N-blanding, der kan fungere pålideligt på trods af strømudsving og med lavt strømforbrug.

Stanford-processen har også en vis potentiel anvendelse på stive CNT'er. Selvom andre ingeniører tidligere har dopet stive CNT'er for at skabe denne immunitet over for elektrisk støj, den præcise og finjusterede Stanford-proces udfører disse tidligere anstrengelser, tyder på, at det kan være nyttigt for både fleksible og stive CNT -kredsløb.

Bao har fokuseret sin forskning på fleksible CNT'er, der konkurrerer med andre eksperimentelle materialer, såsom specielt formuleret plast, at blive grundlaget for bøjelig elektronik, ligesom silicium har været grundlaget for stiv elektronik.

Som et relativt nyt materiale, CNT'er spiller indhente plastik, som er tættere på massemarkedsbrug til f.eks. bøjelige skærme. Stanford-dopingprocessen flytter fleksible CNT'er tættere på kommercialisering, fordi den viser, hvordan man skaber P-N-blandingen, og de deraf følgende forbedringer i pålidelighed og strømforbrug, findes allerede i plastikkredsløb.

Selvom der venter meget arbejde forude for at gøre CNT'er kommercielle, Bao mener, at disse kulfilamenter er fremtiden for fleksibel elektronik, fordi de er stærke nok til at bøje og strække, samtidig med at de er i stand til at levere hurtigere ydeevne end plastikkredsløb.

"CNT'er tilbyder de bedste langsigtede elektroniske og fysiske egenskaber, "Sagde Bao.