Een nieuwe methode voor het vervaardigen van elektronica die hoogwaardig silicium rechtstreeks op flexibele materialen print, zou kunnen leiden tot doorbraken in technologieën, waaronder protheses, high-end elektronica en volledig buigbare digitale displays.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift npj Flexibele Elektronica , ingenieurs van de groep Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST) van de University of Glasgow schetsen hoe ze het conventionele proces voor het creëren van flexibele elektronica voor grote oppervlakken hebben gestroomlijnd en verbeterd.

Tot nu, de meest geavanceerde flexibele elektronica is voornamelijk vervaardigd door middel van een proces dat transferprinten wordt genoemd, een stempelproces in drie fasen, vergelijkbaar met het ontvangen van een inktstempel in een paspoort bij een bezoek aan een ander land.

Eerst, een op silicium gebaseerde halfgeleider nanostructuur is ontworpen en gegroeid op een oppervlak dat bekend staat als een substraat. In de tweede fase, de nanostructuur wordt van het substraat opgepikt door een zachte polymere stempel. In de laatste fase, de nanostructuur wordt overgebracht van de stempel naar een ander flexibel substraat, klaar voor gebruik in buigbare apparaten zoals gezondheidsmonitoren, zachte robotica, en buigbare displays.

Echter, het transferdrukproces heeft een aantal beperkingen die het een uitdaging maakten om meer grootschalige, complexe flexibele apparaten. Het nauwkeurig controleren van kritische variabelen zoals de overdrachtssnelheid, en de hechting en oriëntatie van de nanostructuur, maakt het moeilijk om ervoor te zorgen dat elke postzegel identiek is aan de laatste.

Vergelijkbaar met hoe een slecht gestempeld paspoort het voor reizigers moeilijk kan maken om te lezen, een onvolledige of verkeerd uitgelijnde polymeerstempel op het uiteindelijke substraat kan leiden tot ondermaatse elektronische prestaties of zelfs voorkomen dat apparaten werken.

Hoewel er processen zijn ontwikkeld om de stempeloverdracht effectiever te maken, ze vereisen vaak extra apparatuur zoals lasers en magneten, het toevoegen van extra productiekosten.

Het Glasgow-team heeft een andere benadering gekozen, het verwijderen van de tweede fase van het conventionele transferdrukproces. In plaats van nanostructuren over te brengen op een zachte polymere stempel voordat deze wordt overgebracht naar het uiteindelijke substraat, hun nieuwe proces, wat ze 'directe roloverdracht' noemen, om silicium rechtstreeks op een flexibel oppervlak te printen.

Het proces begint met de fabricage van een dunne silicium nanostructuur van minder dan 100 nanometer. Dan het ontvangende substraat - een flexibel, hoogwaardig plastic foliemateriaal, polyimide genaamd, is bedekt met een ultradunne laag chemicaliën om de hechting te verbeteren.

Het voorbereide substraat wordt om een ​​metalen buis gewikkeld, en een computergestuurde machine die door het team is ontwikkeld, rolt de buis vervolgens over de siliciumwafel, overbrengen naar het flexibele materiaal.

Door het proces zorgvuldig te optimaliseren, het team is erin geslaagd om zeer uniforme afdrukken te maken over een oppervlakte van ongeveer 10 vierkante centimeter, met een transferopbrengst van ongeveer 95% - aanzienlijk hoger dan de meeste conventionele transferprintprocessen op nanometerschaal.

Professor Ravinder Dahiya is de leider van de BEST-groep aan de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow.

Professor Dahiya zei:"Hoewel we een vierkant siliciumwafelmonster van 3 cm aan elke kant gebruikten in het proces dat we in dit artikel bespreken, de grootte van het flexibele donorsubstraat is de enige limiet voor de grootte van siliciumwafels die we kunnen printen. Het is zeer waarschijnlijk dat we het proces kunnen opschalen en zeer complexe, hoogwaardige flexibele elektronica kunnen maken, wat de deur opent naar vele mogelijke toepassingen.

"De prestaties die we hebben gezien van de transistors die we in het laboratorium op flexibele oppervlakken hebben geprint, zijn vergelijkbaar met de prestaties van vergelijkbare CMOS-apparaten - de werkpaardchips die veel alledaagse elektronica aansturen.

"Dat betekent dat dit type flexibele elektronica geavanceerd genoeg kan zijn om flexibele controllers in LED-arrays te integreren, bijvoorbeeld, mogelijk maakt het mogelijk om op zichzelf staande digitale displays te creëren die kunnen worden opgerold wanneer ze niet in gebruik zijn. Lagen flexibel materiaal gespannen over prothetische ledematen zouden geamputeerden een betere controle over hun protheses kunnen geven, of zelfs sensoren integreren om gebruikers een gevoel van 'aanraking' te geven.

"Het is een eenvoudiger proces dat in staat is om hoogwaardige flexibele elektronica te produceren met resultaten die zo goed zijn als zo niet beter, dan conventionele op silicium gebaseerde elektronica. Het is ook potentieel goedkoper en zuiniger met hulpbronnen, omdat het minder materiaal gebruikt, en beter voor het milieu, omdat het minder afval oplevert in de vorm van onbruikbare transfers."