(Phys.org)—Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het vervaardigen van op silicium gebaseerde elektronica die kan worden uitgerekt en gevouwen zonder schade, het omzeilen van het probleem van extreme kwetsbaarheid waarmee ultradunne flexibele siliconenmaterialen traditioneel worden geconfronteerd.

De onderzoekers, geleid door Muhammad Mustafa Hussain aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), hebben een paper gepubliceerd over de opvouwbare elektronica op basis van silicium in een recent nummer van: Technische Natuurkunde Brieven .

De meeste flexibele elektronica die tegenwoordig wordt ontwikkeld, is gebaseerd op polymeermaterialen, maar polymeren hebben inferieure halfgeleidende eigenschappen in vergelijking met silicium. Ook, in tegenstelling tot silicium, de meeste polymeren zijn niet volledig compatibel met de standaard fabricageprocessen die in de huidige halfgeleiderindustrie worden gebruikt.

Als silicium mechanisch robuust genoeg blijkt te zijn om het uitrekken en buigen te doorstaan ​​​​die nodig zijn voor flexibele elektronica, het zou potentieel een ideaal materiaal kunnen bieden om commerciële flexibele elektronica op grote schaal te realiseren.

In de nieuwe studie de onderzoekers zetten een stap in de richting van dit doel door een op silicium gebaseerd apparaat te ontwerpen dat is gemaakt van bulk silicium "eilanden" die onderling zijn verbonden door dunne, flexibele siliconen veren. De dikke eilanden zorgen voor de mechanische ondersteuning, terwijl de dunne veren flexibiliteit bieden.

Een van de grootste uitdagingen was om de microschaalveren zo te ontwerpen dat ze niet met elkaar in de knoop raken, terwijl ze nog steeds kunnen uitrekken tot meerdere keren hun oorspronkelijke lengte.

Hoewel de onderzoekers rekening hielden met spiraalvormen en fractale patronen, het beste ontwerp dat ze bedachten, was geïnspireerd door het sferulite-lamellaire motief van de natuur na te bootsen, een patroon dat lijkt op de stralende lijnen die vaak in rotsen worden gezien. Experimenten toonden aan dat dit geometrische ontwerp het voordeel heeft dat de door buiging veroorzaakte spanning over de gehele lengte van de veer wordt gespreid.

Door de rekbare veren, het uiteindelijke apparaat kan worden uitgerekt tot meer dan vijf keer het oorspronkelijke gebied. Door de veren kunnen de eilanden ook op elkaar worden gevouwen, resulterend in een buigradius van 130 µm, die onafhankelijk is van de apparaatdikte.

"Voor een volledig flexibel en rekbaar systeem, we moeten hoogwaardige siliciumelektronica flexibel en rekbaar maken, "Hussain vertelde" Phys.org . "Echter, in zijn normale toestand is silicium stijf en volumineus. Voor jaren, door silicium of soortgelijke materialen te verdunnen, de wetenschappelijke gemeenschap heeft silicium flexibel gemaakt. Door verschillende fractal-ontwerpen aan te nemen, rekbaarheid is ook bereikt. Echter, zo'n ultradun flexibel silicium is kwetsbaar, zodat wanneer uitgerekt, het slaagt er vaak niet in om zijn mechanische integriteit te behouden. Daarom, ons werk pakt al deze zorgen op beslissende wijze aan door een state-of-the-art CMOS-compatibel proces te tonen om flexibel en rekbaar silicium te verkrijgen met voldoende mechanische nauwkeurigheid."

Omdat de nieuwe patroonvormingsprocessen compatibel zijn met de huidige halfgeleiderfabricagetechnologieën, de onderzoekers verwachten dat dit ontwerp eenvoudig kan worden toegepast op het vervaardigen van een breed scala aan flexibele apparaten. Mogelijke toepassingen zijn draagbare elektronica, zonnecellen die zich aanpassen aan gebogen oppervlakken, tactiele displays die vouwen als origami, en 3D-stapeling van geïntegreerde schakelingen. Een andere mogelijkheid zijn afneembare elektronische componenten, die een belangrijk onderdeel vormen van zelfvernietigbare elektronica - apparaten die zichzelf kunnen vernietigen wanneer ze voelen dat hun veiligheid wordt bedreigd.

"We onderzoeken nieuwe toepassingsmogelijkheden voor elektronica om de mensheid te versterken, Hussain zei. "Ons huidige werk omvat het ontwikkelen van robuuste produceerbare processen voor nieuwe toepassingen. In dat opzicht, ons volgende doel is om een ​​computergadget te ontwikkelen die naar behoefte kan worden uitgerekt en opgevouwen. In de toekomst stellen we ons ook implanteerbare elektronica voor die kan worden omgevormd en opnieuw geconfigureerd met behulp van de ontwikkelde technieken om te voldoen aan de natuurlijke groei van iemands lichaamsorganen."

© 2017 Fys.org