Ny metode til fremstilling af fleksibel elektronik

En ny metode til fremstilling af elektronik, som printer højtydende silicium direkte på fleksible materialer, kan føre til gennembrud inden for teknologier, herunder proteser, avanceret elektronik og fuldt bøjelige digitale skærme.

I et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet npj Fleksibel elektronik , ingeniører fra University of Glasgows Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST) gruppe skitserer, hvordan de har strømlinet og forbedret den konventionelle proces til at skabe fleksibel elektronik til store områder.

Indtil nu, den mest avancerede fleksible elektronik er hovedsageligt blevet fremstillet ved en proces kaldet transfer print, en tre-trins stemplingsproces lidt som at modtage et blækstempel i et pas, når man besøger et andet land.

Først, en silicium-baseret halvleder nanostruktur er designet og dyrket på en overflade kendt som et substrat. I anden fase, nanostrukturen opfanges fra underlaget af et blødt polymert stempel. I sidste fase, nanostrukturen overføres fra frimærket til et andet fleksibelt substrat, klar til brug i bøjelige enheder som sundhedsmonitorer, blød robotik, og bøjelige skærme.

Imidlertid, transfer printprocessen har en række begrænsninger, som har gjort det udfordrende at skabe mere storskala, komplekse fleksible enheder. Præcis kontrol af kritiske variabler som overførselshastigheden, og adhæsionen og orienteringen af ​​nanostrukturen, gør det svært at sikre, at hvert frimærke er identisk med det sidste.

På samme måde som et dårligt stemplet pas kan gøre det svært for rejsende at læse, et ufuldstændigt eller forkert justeret polymert stempel på det endelige substrat kan føre til substandard elektronisk ydeevne eller endda forhindre enheder i at fungere.

Mens der er udviklet processer for at gøre stemplingsoverførslen mere effektiv, de kræver ofte ekstra udstyr som lasere og magneter, tilføje yderligere produktionsomkostninger.

Glasgow-teamet har taget en anden tilgang, helt fjerner anden fase af den konventionelle transfertrykproces. I stedet for at overføre nanostrukturer til et blødt polymert stempel, før det overføres til det endelige substrat, deres nye proces, hvad de kalder 'direkte rulleoverførsel' til at printe silicium direkte på en fleksibel overflade.

Processen begynder med fremstillingen af ​​en tynd siliciumnanostruktur på mindre end 100 nanometer. Så det modtagende substrat - et fleksibelt, højtydende plastfoliemateriale kaldet polyimid - er dækket af et ultratyndt lag af kemikalier for at forbedre vedhæftningen.

Det forberedte substrat er viklet rundt om et metalrør, og en computerstyret maskine udviklet af teamet ruller derefter røret over siliciumwaferen, overføre det til det fleksible materiale.

Ved omhyggeligt at optimere processen, holdet har formået at skabe meget ensartede print over et område på omkring 10 kvadratcentimeter, med omkring 95 % overføringsudbytte - væsentligt højere end de fleste konventionelle overføringstrykprocesser på nanometerskalaen.

Professor Ravinder Dahiya er leder af BEST-gruppen ved University of Glasgows James Watt School of Engineering.

Professor Dahiya sagde:"Selvom vi brugte en firkantet siliciumwaferprøve på 3 cm på hver side i den proces, vi diskuterer i dette papir, størrelsen af ​​det fleksible donorsubstrat er den eneste grænse for størrelsen af ​​siliciumwafers, vi kan printe. Det er meget sandsynligt, at vi kan skalere processen op og skabe meget kompleks højtydende fleksibel elektronik, hvilket åbner døren til mange potentielle anvendelser.

"Den ydeevne, vi har set fra de transistorer, vi har printet på fleksible overflader i laboratoriet, har svaret til ydeevnen af ​​sammenlignelige CMOS-enheder - arbejdshestens chips, der styrer mange hverdagselektronik.

"Det betyder, at denne type fleksibel elektronik kunne være sofistikeret nok til at integrere fleksible controllere i LED-arrays, for eksempel, potentielt muliggør skabelsen af ​​selvstændige digitale skærme, som kan rulles sammen, når de ikke er i brug. Lag af fleksibelt materiale strakt over protetiske lemmer kunne give amputerede bedre kontrol over deres proteser, eller endda integrere sensorer for at give brugerne en følelse af "touch."

"Det er en enklere proces, der er i stand til at producere højtydende fleksibel elektronik med resultater så gode som hvis ikke bedre, end konventionel siliciumbaseret elektronik. Det er også potentielt billigere og mere ressourceeffektivt, fordi det bruger mindre materiale, og bedre for miljøet, fordi det producerer mindre affald i form af ubrugelige overførsler."