De kern van elk elektronisch apparaat is een verkoudheid, harde computerchip, bedekt met een miniatuurstad van transistors en andere halfgeleidende elementen. Omdat computerchips stijf zijn, de elektronische apparaten die ze aandrijven, zoals onze smartphones, laptops, horloges, en televisies, zijn even onbuigzaam.

Nu kan een door MIT-ingenieurs ontwikkeld proces de sleutel zijn om op een kosteneffectieve manier flexibele elektronica met meerdere functionaliteiten te produceren.

Het proces wordt "remote epitaxie" genoemd en omvat het groeien van dunne films van halfgeleidend materiaal op een grote, dikke wafel van hetzelfde materiaal, die is bedekt met een tussenlaag van grafeen. Zodra de onderzoekers een halfgeleidende film laten groeien, ze kunnen het van de met grafeen bedekte wafel afpellen en de wafel vervolgens opnieuw gebruiken, wat op zichzelf duur kan zijn, afhankelijk van het soort materiaal waarvan het is gemaakt. Op deze manier, het team kan een willekeurig aantal dunne, flexibele halfgeleidende films, met dezelfde onderliggende wafer.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , de onderzoekers tonen aan dat ze epitaxie op afstand kunnen gebruiken om vrijstaande films van elk functioneel materiaal te produceren. Belangrijker, ze kunnen films van deze verschillende materialen stapelen, flexibel te produceren, multifunctionele elektronische apparaten.

De onderzoekers verwachten dat het proces kan worden gebruikt om rekbare elektronische films te produceren voor een breed scala aan toepassingen, inclusief virtual reality-compatibele contactlenzen, huiden op zonne-energie die zich vormen naar de contouren van uw auto, elektronische stoffen die reageren op het weer, en andere flexibele elektronica die tot nu toe het spul van Marvel-films leek te zijn.

"Je kunt deze techniek gebruiken om elk halfgeleidend materiaal te mixen en matchen om nieuwe apparaatfunctionaliteit te krijgen, in één flexibele chip, " zegt Jeehwan Kim, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Je kunt elektronica in elke vorm maken."

Tijd kopen

Kim en zijn collega's rapporteerden hun eerste resultaten met epitaxie op afstand in 2017. ze waren in staat om dunne, flexibele films van halfgeleidend materiaal door eerst een laag grafeen op een dikke, dure wafel gemaakt van een combinatie van exotische metalen. Ze lieten atomen van elk metaal over de met grafeen bedekte wafel stromen en ontdekten dat de atomen een film op het grafeen vormden, in hetzelfde kristalpatroon als de onderliggende wafer. Het grafeen zorgde voor een antiaanbaklaag waarvan de onderzoekers de nieuwe film konden afpellen, het verlaten van de met grafeen bedekte wafel, die ze konden hergebruiken.

in 2018, het team toonde aan dat ze epitaxie op afstand konden gebruiken om halfgeleidende materialen te maken van metalen in groep 3 en 5 van het periodiek systeem, maar niet uit groep 4. De reden, ze vonden, kwam neer op polariteit, of de respectieve ladingen tussen de atomen die over grafeen stromen en de atomen in de onderliggende wafer.

Sinds dit besef Kim en zijn collega's hebben een aantal steeds exotischere halfgeleidende combinaties geprobeerd. Zoals gemeld in dit nieuwe artikel, het team gebruikte epitaxie op afstand om flexibele halfgeleidende films te maken van complexe oxiden - chemische verbindingen gemaakt van zuurstof en ten minste twee andere elementen. Van complexe oxiden is bekend dat ze een breed scala aan elektrische en magnetische eigenschappen hebben, en sommige combinaties kunnen een stroom opwekken wanneer ze fysiek worden uitgerekt of blootgesteld aan een magnetisch veld.

Kim zegt dat het vermogen om flexibele films van complexe oxiden te maken de deur zou kunnen openen naar nieuwe energieopwekkende apparaten. zoals lakens of bekledingen die uitrekken als reactie op trillingen en als gevolg daarvan elektriciteit produceren. Tot nu, complexe oxidematerialen zijn alleen vervaardigd op stijve, millimeter dikke wafels, met beperkte flexibiliteit en dus beperkt energieopwekkingspotentieel.

Wel moesten de onderzoekers hun proces aanpassen om complexe oxidefilms te maken. Ze ontdekten aanvankelijk dat toen ze probeerden een complex oxide te maken, zoals strontiumtitanaat (een verbinding van strontium, titanium, en drie zuurstofatomen), de zuurstofatomen die ze over het grafeen stroomden, hadden de neiging zich te binden met de koolstofatomen van het grafeen, stukjes grafeen wegetsen in plaats van het patroon van de onderliggende wafel te volgen en te binden met strontium en titanium. Als een verrassend eenvoudige oplossing, de onderzoekers voegden een tweede laag grafeen toe.

"We zagen dat tegen de tijd dat de eerste laag grafeen is weggeëtst, oxideverbindingen zijn al gevormd, dus elementaire zuurstof, zodra het deze gewenste verbindingen vormt, interageert niet zo sterk met grafeen, " legt Kim uit. "Dus twee lagen grafeen kopen wat tijd voor deze verbinding om zich te vormen."

Schil en stapel

Het team gebruikte hun nieuw aangepaste proces om films te maken van meerdere complexe oxidematerialen, het afpellen van elke 100 nanometer dunne laag zoals deze is gemaakt. Ze waren ook in staat om lagen van verschillende complexe oxidematerialen op elkaar te stapelen en ze effectief aan elkaar te lijmen door ze lichtjes te verwarmen, het produceren van een flexibele, multifunctioneel apparaat.

"Dit is de eerste demonstratie van het stapelen van meerdere nanometer dunne membranen zoals LEGO-blokken, wat onmogelijk was omdat alle functionele elektronische materialen in een dikke wafelvorm bestaan, ' zegt Kim.

In een experiment, het team stapelde films van twee verschillende complexe oxiden op elkaar:kobaltferriet, waarvan bekend is dat ze uitzetten in aanwezigheid van een magnetisch veld, en PMN-PT, een materiaal dat spanning genereert wanneer het wordt uitgerekt. Toen de onderzoekers de meerlagige film blootstelden aan een magnetisch veld, de twee lagen werkten samen om zowel uit te zetten als een kleine elektrische stroom te produceren.

De resultaten tonen aan dat epitaxie op afstand kan worden gebruikt om flexibele elektronica te maken uit een combinatie van materialen met verschillende functionaliteiten, die voorheen moeilijk te combineren waren tot één apparaat. In het geval van kobaltferriet en PMN-PT, elk materiaal heeft een ander kristallijn patroon. Kim zegt dat traditionele epitaxietechnieken, die materialen bij hoge temperaturen op één wafel laten groeien, kunnen alleen materialen combineren als hun kristallijne patronen overeenkomen. Hij zegt dat met epitaxie op afstand, onderzoekers kunnen een willekeurig aantal verschillende films maken, verschillende gebruiken, herbruikbare wafeltjes, en stapel ze dan op elkaar, ongeacht hun kristallijnen patroon.

"Het grote plaatje van dit werk is, je kunt totaal verschillende materialen op één plek combineren, " zegt Kim. "Nu kun je je een dunne, flexibel apparaat gemaakt van lagen met een sensor, computersysteem, een batterij, een zonnecel, zodat je een flexibele, zelfvoorzienend, internet-of-things gestapelde chip."

Het team onderzoekt verschillende combinaties van halfgeleidende films en werkt aan de ontwikkeling van prototype-apparaten, zoals iets dat Kim een ​​'elektronische tatoeage' noemt - een flexibele, transparante chip die zich kan hechten aan en zich aanpassen aan het lichaam van een persoon om vitale functies zoals temperatuur en hartslag waar te nemen en draadloos door te geven.

"We kunnen nu dunne, flexibel, draagbare elektronica met de hoogste functionaliteit, ' zegt Kim. 'Gewoon eraf halen en opstapelen.'

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.