Закрыть ☒

Электронная кожа. Это как?

Технология, позволяющая исследователям изготавливать 42 000 эластичных транзисторов на квадратный сантиметр, делает их на шаг ближе к созданию электронных устройств, которые выглядят и ведут себя как кожа.

Способная быстро и одновременно улавливать бесчисленное количество сигналов, кожа является одной из самых мощных “электронных” систем в мире. Имея 3000 сенсорных клеток на квадратный сантиметр, он предоставляет нам данные о температуре, влажности и давлении в нашей окружающей среде. Он также растягивается, поддается биологическому разложению, самовосстанавливается и автономен-для выполнения своих задач он не требует прямого участия человека.

Эти завидные свойства сделали создание электронной “кожи” целью многих ученых, в том числе Чжэньаня Бао из Стэнфордского университета, который работает над этой проблемой более двух десятилетий. На недавнем осеннем совещании ACS Бао представила свою последнюю работу на эту тему: метод изготовления массивов гибких транзисторов высокой плотности. Этот метод позволяет собрать 42 000 транзисторов на квадратный сантиметр материала, что на 2 порядка выше плотности, достижимой с помощью других методов.

С момента своего изобретения в 1940-х годах транзистор, который используется для управления электронным сигналом, был доминирующим компонентом большинства электронных систем. Сегодня транзисторы в значительной степени изготовлены из кремния из-за его беспрецедентных электронных свойств. Но кремний плохо подходит для изготовления электронной кожи, поскольку устройства на основе кремния негибкие и хрупкие-противоположность человеческой коже.

Когда Бао начала разрабатывать электронную кожу, высокопроизводительных, растягиваемых электронных материалов почти не существовало, поэтому она занялась синтезом полимеров, которые могли бы заполнить этот пробел. Сегодня полимеры, которые она создала, могут проводить электроны со скоростью, превышающей скорость аморфного кремния (часто используемого в тонкопленочной электронике). Но для устройств, которые Бао хотел бы создать,—например, электронного скафандра, который будет отслеживать нервные сигналы по всему телу,—все еще существуют препятствия, которые необходимо преодолеть. Одним из них является изготовление листов транзисторов высокой плотности, которые потребуются для одновременного захвата и обработки всех электронных сигналов организма.

Решение этой проблемы, говорит Бао, и есть ее метод. “Чтобы сделать растягивающиеся электронные устройства, мы не можем просто поменять кремний на полимер”, - говорит она. Кремниевые устройства изготавливаются при очень высоких температурах с использованием процессов и химических веществ, которые разрушают ее полимеры. “Вот почему мы должны разработать новые процессы для наших материалов”.

Метод, разработанный Бао и ее коллегами, составляет 2- μm-широкие транзисторы из полупроводниковых полимеров с использованием ультрафиолетового света. Первым шагом является нанесение на кремниевую пластину водорастворимого материала, а затем эластичного инертного материала, который служит основой для “кожи". Поверх этой основы исследователи наносят слой проводящего полимера толщиной примерно 150 нм. Затем в этом слое создаются прямоугольные структуры путем пропускания ультрафиолетового света через узорчатую маску. Открытые области образуют связи или “перекрестные связи " между полимерами. Сшитые детали становятся затворами транзистора, в то время как незащищенные области полимера смываются.

Этапы создания рисунка и промывки повторяются еще три раза, чтобы создать диэлектрические, полупроводниковые и исходные/сточные характеристики транзисторов. Кожа освобождается от пластины путем растворения водорастворимого слоя, обнажая растягивающуюся систему.

Бао отмечает, что кремниевая электроника также имеет такой же рисунок, используя то же оборудование для освещения и маски. Выбор в пользу тиражирования этой технологии был преднамеренным, поскольку это означает, что предприятия, которые в настоящее время производят жесткие кремниевые устройства, могут переключиться на производство гибких полимерных устройств без необходимости покупать новое оборудование. Но, добавляет она, на аппаратном обеспечении сходство заканчивается. Процессы нанесения рисунка различны, так как полимерные компоненты в ее технике непосредственно фотопаттернируются, в то время как для кремния это делается косвенно с помощью дополнительных фоторезистов. Эти методы также используют различные химические вещества для нанесения рисунка и проводятся при различных температурах.

Для первой демонстрации своей техники команда достигла плотности 42 000 транзисторов на сантиметр, что в значительной степени превысило их предыдущий рекорд-348 транзисторов на основе полимеров на квадратный сантиметр. Этот скачок велик, но Бао говорит, что хотела бы сделать его еще больше—улучшение, которое потребовало бы синтеза новых полимеров с лучшими электрическими свойствами.

Если плотность может быть увеличена, она предполагает, что электроника ее кожи может быть встроена в костюмы или шлемы, которые позволят исследователям отслеживать сигналы от мозга или понимать, как различные электрические сигналы в человеческом теле взаимодействуют друг с другом. Бао также работает над внедрением своей электроники на основе полимеров в устройства, которые будут входить внутрь тела, чтобы напрямую контролировать сигналы от сердца или какого-либо другого органа. “Для этой технологии существуют бесконечные возможности”, - говорит она. ”Я хочу продвинуть это так далеко, как только смогу".

#физика #наука и техника #жизнь #роботехника #научные исследования #электроника #будущее

Еще по теме здесь: Новости науки и техники.

Источник: Электронная кожа. Это как?.