Vandopløseligt silicium fører til opløselig elektronik

(Phys.org) – Forskere, der arbejder i et materialevidenskabslaboratorium, ser bogstaveligt talt deres arbejde forsvinde for øjnene af dem – men det er med vilje. De udvikler vandopløselige integrerede kredsløb, der opløses i vand eller biovæsker på måneder, uger, eller endda et par dage. Denne teknologi, kaldet transient elektronik, kunne have applikationer til biomedicinske implantater, nul-affaldssensorer, og mange andre halvlederenheder.

Forskerne, ledet af John A. Rogers ved University of Illinois i Urbana-Champaign og Fiorenzo Omenetto ved Tufts University, har offentliggjort en undersøgelse i et nyligt nummer af Anvendt fysik bogstaver hvor de analyserede ydeevnen og opløsningstiden for forskellige halvledermaterialer.

Arbejdet bygger på tidligere forskning, af forfatterne og andre, som viste, at silicium - det mest almindeligt anvendte halvledermateriale i nutidens elektroniske enheder - kan opløses i vand. Selvom det ville tage århundreder at opløse bulk silicium, tynde lag af silicium kan opløses på mere rimelige tidspunkter ved lave, men signifikante hastigheder på 5-90 nm/dag. Silicium opløses på grund af hydrolyse, hvor vand og silicium reagerer og danner kiselsyre. Kiselsyre er miljømæssigt og biologisk godartet.

I den nye undersøgelse, forskerne analyserede opløsningsegenskaberne for siliciumdioxid og wolfram, som de brugte til at fremstille to elektroniske enheder:felteffekttransistorer og ringoscillatorer.

Under biokompatible forhold (37 °C, 7,4 pH), opløsningshastigheder varierede fra 1 uge for wolframkomponenterne, til mellem 3 måneder og 3 år for siliciumdioxidkomponenterne. Opløsningshastighederne kan styres af flere faktorer, såsom tykkelsen af ​​materialerne, koncentrationen og typen af ​​ioner i opløsningen, og metoden anvendt til at afsætte siliciumdioxidet på det originale substrat.

Som vist på mikroskopbillederne, kredsløbene opløses ikke i en uniform, lag-for-lag tilstand, men i stedet opløses nogle steder hurtigere end andre. Dette skyldes mekaniske brud i de skrøbelige kredsløb, som får opløsningen til at trænge mere gennem lagene nogle steder end andre.

Selvom organiske elektroniske materialer også ofte er biologisk nedbrydelige, Siliciumbaseret elektronik har fordelene ved en samlet højere ydeevne og brugen af ​​komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS) fremstillingsprocesser, der muliggør masseproduktion.

"Det vigtigste fund er, at der findes valg i materialer, enhedsdesign og behandlingssekvenser, der gør det muligt at producere transient elektronik i konventionelle siliciumfabrikationsfaciliteter, " fortalte Rogers Phys.org . "Den umiddelbare konsekvens er en omkostningseffektiv, højvolumen vej til fremstilling."

Transientelektronik kunne have en meget bred vifte af nye anvendelser, især inden for det medicinske område. For eksempel, de kunne bruges til at lave katetre, der opløses; biologisk nedbrydelige sensorer, der overvåger nyrerne, hjerte, og lunger; og vandopløselig elektronik, der overvåger bakterielle infektioner efter operationen.

Hvad angår miljøapplikationer, transient elektronik kunne bruges som sensorer, der transmitterer data fra fjerntliggende steder, og nedbrydes derefter i jorden for at fjerne affald.

Forskerne planlægger at arbejde hen imod disse applikationer i den nærmeste fremtid.

"Vi arbejder på at bygge mere avancerede kredsløb, og gør det med kommercielle støberier, og på back-end-samlingsteknikker, der gør det muligt for disse kredsløb at blive implementeret på en række bionedbrydelige polymersubstrater, " sagde Rogers.

© 2015 Phys.org