Nueva técnica de fabricación para electrónica flexible
IMAGEN: Ilustración del proceso de transferencia de un semiconductor 2D con contactos nanopatterned (izquierda) y fotografía de un sustrato transparente flexible con estructuras transferidas (derecha). vista Después
Crédito: Victoria Chen / Alwin Daus / Pop Lab
Los circuitos de computadora ultrafinos y flexibles han sido un objetivo de ingeniería durante años, pero los obstáculos técnicos han impedido el grado de miniaturización necesario para lograr un alto rendimiento. En la actualidad, los investigadores de la Universidad de Stanford han inventado una técnica de fabricación que produce transistores flexibles y atómicamente delgados de menos de 100 nanómetros de longitud, varias veces más pequeños que antes. La técnica se detalla en un artículo publicado el 17 de junio en Naturaleza electrónica.
Con el avance, dijeron los investigadores, la llamada «flextrónica» se está acercando a la realidad. La electrónica flexible promete circuitos de computadora flexibles, moldeables y energéticamente eficientes que se pueden usar o implantar en el cuerpo humano para realizar una gran variedad de tareas relacionadas con la salud. Además, el futuro «Internet de las cosas», en el que casi todos los dispositivos de nuestra vida están integrados e interconectados con electrónica flexible, también debería beneficiarse de la flextrónica.
Dificultades técnicas
Entre los materiales adecuados para la electrónica flexible, los semiconductores bidimensionales (2D) se han mostrado prometedores debido a sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, incluso a nanoescala, lo que los convierte en mejores candidatos que el silicio o los materiales orgánicos convencionales.
El desafío técnico hasta la fecha ha sido que la formación de estos dispositivos increíblemente delgados requiere un proceso demasiado intensivo en calor para sustratos plásticos flexibles. Estos materiales flexibles simplemente se derretirían y romperían durante el proceso de producción.
La solución, según Eric Pop, profesor de ingeniería eléctrica en Stanford, y Alwin Daus, investigador postdoctoral en el laboratorio de Pop que desarrolló la técnica, es hacerlo por etapas, comenzando con un sustrato básico que es todo menos flexible.
Sobre una oblea de silicio sólida cubierta con vidrio, Pop y Daus forman una película atómicamente delgada de disulfuro de molibdeno semiconductor 2D (MoS2) recubierta con pequeños electrodos de oro con nano patrones. Debido a que este paso se realiza en el sustrato de silicio convencional, las dimensiones del transistor a nanoescala se pueden modelar con técnicas de modelado avanzadas existentes, logrando una resolución que de otro modo no sería posible en sustratos plásticos flexibles.
La técnica de capas, conocida como deposición química de vapor (CVD), hace crecer una película de MoS2 una capa de átomos a la vez. La película resultante tiene solo tres átomos de espesor, pero requiere temperaturas de hasta 850 C (más de 1500 F) para funcionar. En comparación, el sustrato flexible, hecho de poliimida, un plástico delgado, habría perdido su forma durante mucho tiempo a alrededor de 360 ° C (680 ° F) y se habría descompuesto por completo a temperaturas más altas.
Al modelar y dar forma primero a estas partes críticas en silicio rígido y dejar que se enfríen, los investigadores de Stanford pueden aplicar el material flexible sin dañarlo. Con un simple baño en agua desionizada, toda la pila de dispositivos se despega y ahora se transfiere por completo a la poliimida flexible.
Después de algunos pasos de fabricación más, los resultados son transistores flexibles capaces de un rendimiento muchas veces mayor que el producido anteriormente con semiconductores atómicamente delgados. Los investigadores dijeron que si bien se pueden construir circuitos completos y luego transferirlos al material flexible, ciertas complicaciones con las capas posteriores facilitan estos pasos adicionales después de la transferencia.
«En última instancia, toda la estructura tiene sólo 5 micrones de espesor, incluida la poliimida flexible», dijo Pop, autor principal del artículo. «Es diez veces más delgado que un cabello humano».
Si bien el logro técnico en la producción de transistores a nanoescala en un material flexible es notable en sí mismo, los investigadores también describieron sus dispositivos como de «alto rendimiento», lo que en este contexto significa que pueden manejar altas corrientes eléctricas mientras operan a bajo voltaje. , según sea necesario para un bajo consumo de energía.
«Esta reducción tiene varias ventajas», dijo Daus, quien es el primer autor del artículo. «Puede instalar más transistores en un espacio determinado, por supuesto, pero también puede tener corrientes más altas a menor voltaje: alta velocidad con menos consumo de energía».
Mientras tanto, los contactos chapados en oro disipan y difunden el calor generado por los transistores cuando están en uso, calor que de otro modo podría poner en peligro la poliimida flexible.
Futuro prometedor
Con un prototipo completo y una solicitud de patente, Daus y Pop pasaron a sus próximos desafíos de refinar los dispositivos. Construyeron transistores similares utilizando otros dos semiconductores atómicamente delgados (MoSe2 y WSe2) para demostrar la amplia aplicabilidad de la técnica.
Mientras tanto, Daus dijo que planea integrar circuitos de radio en los dispositivos, lo que permitirá que las variantes futuras se comuniquen de forma inalámbrica con el mundo exterior, otro gran paso hacia la viabilidad de los flextronics, especialmente los implantados en el cuerpo humano o profundamente integrados en otros dispositivos. conectado al Internet de las cosas.
«Es más que una técnica de producción prometedora. Hemos logrado flexibilidad, densidad, alto rendimiento y bajo consumo de energía al mismo tiempo», dijo Pop. «Se espera que este trabajo haga avanzar la tecnología en varios niveles».
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Los coautores incluyen a los becarios postdoctorales Sam Vaziri y Kevin Brenner, los estudiantes de doctorado Victoria Chen, Ça ?? l Köro? Lu, Ryan Grady, Connor Bailey y Kirstin Schauble, y la investigadora Hye Ryoung Lee.
La financiación para esta investigación fue proporcionada por la subvención Early Postdoc Mobility de la Swiss National Science Foundation, el Instituto de Innovación Colaborativa de Beijing, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y la Stanford SystemX Alliance.
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