Ingenieurs zouden graag flexibele elektronische apparaten willen maken, zoals e-readers die kunnen worden opgevouwen om in een zak te passen. Een benadering die ze proberen, is het ontwerpen van circuits op basis van elektronische vezels, bekend als koolstofnanobuisjes (CNT's), in plaats van harde siliciumchips.

Maar betrouwbaarheid is essentieel. De meeste siliciumchips zijn gebaseerd op een type circuitontwerp waardoor ze probleemloos kunnen functioneren, zelfs wanneer het apparaat stroomschommelingen ervaart. Echter, het is veel uitdagender om dit te doen met CNT-circuits.

Nu heeft een team van Stanford een proces ontwikkeld om flexibele chips te maken die stroomschommelingen kunnen verdragen op vrijwel dezelfde manier als siliciumcircuits.

"Dit is de eerste keer dat iemand flexibele CNT-circuits heeft ontworpen die zowel een hoge immuniteit voor elektrische ruis als een laag stroomverbruik hebben, " zei Zhenan Bao, een professor in chemische technologie aan Stanford met een beleefdheidsaanstelling in Chemie en Materials Science and Engineering.

De groep rapporteerde haar bevindingen in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Huiliang (Evan) Wang, een afgestudeerde student in Bao's lab, en Peng Wei, een eerdere postdoc in Bao's lab, waren de hoofdauteurs van het artikel. Tot het team van Bao behoorde ook Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde aan Stanford, en Hye Ryoung Lee, een afgestudeerde student in zijn lab.

In principe, CNT's zouden ideaal moeten zijn voor het maken van flexibele elektronische schakelingen. Deze ultradunne koolstoffilamenten hebben de fysieke sterkte om de slijtage van buigen, en de elektrische geleidbaarheid om elke elektronische taak uit te voeren.

Maar tot dit recente werk van het Stanford-team, flexibele CNTs-circuits hadden niet de betrouwbaarheid en energie-efficiëntie van stijve siliciumchips.

Hier is de reden. Overuren, ingenieurs hebben ontdekt dat elektriciteit op twee verschillende manieren door halfgeleiders kan reizen. Het kan van positief gat naar positief gat springen, of het kan door een hoop negatieve elektronica heen duwen als een kralenketting. Het eerste type halfgeleider wordt een P-type genoemd, de tweede heet en N-type.

Het belangrijkste is, ingenieurs ontdekten dat circuits gebaseerd op een combinatie van P-type en N-type transistors betrouwbaar werken, zelfs wanneer er stroomschommelingen optreden, en ze verbruiken ook veel minder stroom. Dit type circuit met zowel P-type als N-type transistors wordt complementair circuit genoemd. In de afgelopen 50 jaar zijn ingenieurs bedreven geworden in het creëren van deze ideale mix van geleidende paden door de atomaire structuur van silicium te veranderen door de toevoeging van minieme hoeveelheden nuttige stoffen - een proces dat "doping" wordt genoemd en dat conceptueel verwant is aan wat onze voorouders duizenden deden van jaren geleden toen ze tin in gesmolten koper roerden om brons te maken.

De uitdaging voor het Stanford-team was dat CNT's voornamelijk P-type halfgeleiders zijn en dat er geen gemakkelijke manier was om deze koolstoffilamenten te doteren om N-type kenmerken toe te voegen.

De PNAS-paper legt uit hoe de ingenieurs van Stanford deze uitdaging hebben overwonnen. Ze behandelden CNT's met een chemisch doteringsmiddel dat ze ontwikkelden, bekend als DMBI, en ze gebruikten een inkjetprinter om deze stof op precieze locaties op het circuit te deponeren.

Dit was de eerste keer dat een flexibel CNT-circuit is gedoteerd om een ​​PN-mengsel te creëren dat betrouwbaar kan werken ondanks stroomschommelingen en met een laag stroomverbruik.

Het Stanford-proces heeft ook een mogelijke toepassing op rigide CNT's. Hoewel andere ingenieurs eerder starre CNT's hebben gedoteerd om deze immuniteit voor elektrische ruis te creëren, het precieze en fijn afgestemde Stanford-proces voert deze eerdere inspanningen uit, wat suggereert dat het nuttig zou kunnen zijn voor zowel flexibele als stijve CNT-circuits.

Bao heeft haar onderzoek gericht op flexibele CNT's, die concurreren met andere experimentele materialen, zoals speciaal samengestelde kunststoffen, om de basis te worden voor buigbare elektronica, net zoals silicium de basis is geweest voor stijve elektronica.

Als relatief nieuw materiaal, CNT's zijn bezig met het inhalen van plastic, die dichter bij massamarktgebruik liggen voor zaken als buigbare beeldschermen. Het Stanford-dopingproces brengt flexibele CNT's dichter bij commercialisering omdat het laat zien hoe de P-N-blend kan worden gemaakt, en de daaruit voortvloeiende verbeteringen in betrouwbaarheid en stroomverbruik, al aanwezig in kunststof circuits.

Hoewel er nog veel werk in het verschiet ligt om CNT's commercieel te maken, Bao gelooft dat deze koolstoffilamenten de toekomst zijn van flexibele elektronica, omdat ze sterk genoeg zijn om te buigen en uit te rekken, terwijl het ook in staat is om snellere prestaties te leveren dan plastic circuits.

"CNT's bieden de beste elektronische en fysieke eigenschappen op lange termijn, ' zei Bao.