Новая технология производства гибкой электроники

Сверхтонкие гибкие компьютерные схемы были целью инженеров в течение многих лет, но технические препятствия не позволили добиться степени миниатюризации, необходимой для достижения высокой производительности. Теперь исследователи из Стэнфордского университета изобрели технологию производства гибких атомарно тонких транзисторов длиной менее 100 нанометров — в несколько раз меньше, чем это было возможно ранее.

По словам исследователей, с развитием так называемая «флекстроника» приближается к реальности. Гибкая электроника обещает гибкие, формируемые, но энергоэффективные компьютерные схемы, которые можно носить или имплантировать в человеческое тело для выполнения множества задач, связанных со здоровьем. Более того, грядущий «интернет вещей», в который интегрировано и взаимосвязано почти каждое устройство в нашей жизни, должен также выиграть от флекстроники.

Среди подходящих материалов для гибкой электроники двумерные (2D) полупроводники показали себя многообещающими из-за их превосходных механических и электрических свойств, даже в наномасштабе, что делает их лучшими кандидатами, чем обычные кремниевые или органические материалы.

Инженерная проблема на сегодняшний день заключалась в том, что для изготовления этих почти невероятно тонких устройств требуется процесс, который слишком теплоемкий для гибких пластиковых подложек. Эти материалы просто расплавятся и разложатся в процессе производства.

Решение, по мнению исследователей, состоит в том, чтобы делать это поэтапно, начиная с базовой подложки, которая не является гибкой. Они сформировали атомарно-тонкую пленку двумерного полупроводника дисульфида молибдена (MoS2), покрытую небольшими золотыми электродами с нано-рисунком поверх твердой пластины кремния, покрытой стеклом. Поскольку этот шаг выполняется на обычной кремниевой подложке, размеры наноразмерных транзисторов могут быть сформированы с помощью существующих передовых методов формирования рисунка, что позволяет достичь разрешения, которое иначе было бы невозможно на гибких пластиковых подложках.

Этот метод наслоения, известный как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), позволяет выращивать пленку MoS2 по одному слою атомов за раз. Полученная пленка имеет толщину всего в три атома, но для работы требуется температура, достигающая 850°C (более 1500°F). Для сравнения, гибкая подложка из полиимида, тонкого пластика, потеряла бы свою форму примерно при 360 °C (680 °F) и полностью разложилась бы при более высоких температурах.

Сформировав сначала рисунок и форму этих важных деталей на жестком кремнии и дав им остыть, исследователи из Стэнфорда могут наносить гибкий материал без повреждений. С помощью простой ванны в деионизированной воде вся стопка устройств отслаивается, и теперь она полностью переносится на гибкий полиимид.

После нескольких дополнительных этапов изготовления в результате получаются гибкие транзисторы, способные работать в несколько раз лучше, чем любой из ранее произведенных полупроводников с атомарной толщиной. Исследователи заявили, что, хотя целые схемы могут быть построены, а затем перенесены на гибкий материал, определенные сложности с последующими слоями облегчают эти дополнительные шаги после переноса.

«В конце концов, вся структура имеет толщину всего 5 микрон, включая гибкий полиимид», — сказал профессор Эрик Поп. «Это примерно в десять раз тоньше человеческого волоса».

Хотя техническое достижение в производстве наноразмерных транзисторов на гибком материале само по себе примечательно, исследователи также охарактеризовали свои устройства как «высокопроизводительные», что в данном контексте означает, что они способны работать с большими электрическими токами при работе при низком напряжении. , что требуется для низкого энергопотребления.

«Это уменьшение масштаба имеет несколько преимуществ», — сказал доктор Даус. «Конечно, вы можете разместить больше транзисторов на той же площади, но вы также можете получить более высокие токи при более низком напряжении — высокая скорость с меньшим энергопотреблением».

Между тем, контакты из позолоченного металла рассеивают и распределяют тепло, выделяемое транзисторами во время работы — тепло, которое в противном случае могло бы повредить гибкий полиимид.

После того, как прототип и патентная заявка были готовы, Даус и Поп перешли к своим следующим задачам по совершенствованию устройств. Они построили аналогичные транзисторы, используя два других атомарно тонких полупроводника (MoSe2 и WSe2), чтобы продемонстрировать широкую применимость метода.

Между тем, Даус сказал, что он изучает возможность интеграции радиосхем с устройствами, что позволит будущим вариациям осуществлять беспроводную связь с внешним миром — еще один большой шаг к жизнеспособности флекстроники, особенно тех, которые имплантированы в человеческое тело или интегрированы глубоко в другие устройства. подключен к Интернету вещей.

«Это больше, чем перспективная технология производства. Мы добились гибкости, плотности, высокой производительности и низкого энергопотребления — и все это одновременно», — сказал Поп. «Мы надеемся, что эта работа продвинет технологию на нескольких уровнях».