Что такое электронная кожа и зачем она нужна?
Человеческая кожа — это удивительный природный сенсор. На каждом квадратном сантиметре находится около 3000 рецепторов, которые одновременно улавливают температуру, влажность, давление и другие параметры окружающей среды. Кожа эластична, способна к самовосстановлению и работает автономно. Ученые уже более двадцати лет стремятся создать её электронный аналог — «электронную кожу», которая могла бы наделить такими же свойствами роботов, протезы или даже специальные костюмы.
Прорыв в плотности транзисторов
Ключевой шаг в этом направлении сделала команда исследователей под руководством Чжэньаня Бао из Стэнфордского университета. Им удалось разработать технологию, позволяющую размещать до 42 000 эластичных транзисторов на квадратном сантиметре гибкого материала. Эта плотность на два порядка (то есть в сотни раз) превышает показатели, достижимые другими современными методами. Такое количество микроскопических переключателей необходимо для одновременной обработки огромного массива сенсорных данных, подобно тому, как это делает наша нервная система.
Почему кремний не подходит?
Традиционная электроника основана на кремниевых транзисторах. Несмотря на их превосходные электронные свойства, кремний — жёсткий и хрупкий материал, что прямо противоположно требованиям к эластичной, подобной коже, электронике. Поэтому для создания электронной кожи потребовались принципиально новые материалы.
Полимеры вместо кремния
Чжэньань Бао и её коллеги сосредоточились на разработке специальных полимеров — органических материалов, которые могут проводить электрический ток и при этом растягиваться. Созданные ими полимеры проводят электроны даже лучше, чем аморфный кремний, используемый, например, в экранах некоторых устройств. Однако простой замены материала оказалось недостаточно. Существующие высокотемпературные процессы производства кремниевых микросхем разрушают эти чувствительные полимеры.
Как создают эластичные транзисторы?
Учёным пришлось изобрести совершенно новый метод производства. Их технология, по сути, представляет собой многослойную «печать» ультрафиолетовым светом:
1. На кремниевую пластину наносится основа будущей «кожи» из эластичного материала.
2. Сверху добавляется слой проводящего полимера.
3. Через специальную маску на материал направляется ультрафиолетовый свет. На освещённых участках молекулы полимера образуют прочные поперечные связи (сшиваются), формируя затворы будущих транзисторов.
4. Несшитые участки полимера смываются.
Этот процесс последовательно повторяется для создания всех необходимых слоёв транзистора: диэлектрика, полупроводника и электродов. В конце водорастворимая прослойка растворяется, и готовая эластичная электронная схема отделяется от жёсткой пластины.
Преимущества и перспективы технологии
Важное преимущество метода Бао в том, что он использует стандартное оборудование для фотолитографии, применяемое в производстве обычных кремниевых чипов. Это открывает путь для относительно простого перевода существующих фабрик на выпуск гибкой электроники. Химические процессы и температуры, конечно, другие, но базовое «железо» остаётся тем же.
Первые результаты обнадёживают: 42 000 транзисторов на см² — это огромный скачок от предыдущего рекорда команды в 348 транзисторов. Однако исследователи не собираются останавливаться. Для будущих применений, таких как электронные скафандры, отслеживающие нервные сигналы по всему телу, или имплантаты для мониторинга работы сердца, плотность и производительность транзисторов нужно увеличивать ещё больше. Это потребует создания новых, ещё более совершенных полимеров.
«Возможности этой технологии безграничны, — говорит Чжэньань Бао. — Я хочу продвинуть её так далеко, как только смогу». Электронная кожа будущего может стать неотъемлемой частью интерфейса между человеком и машиной, открыв новые горизонты в медицине, робототехнике и носимой электронике.
#физика #наука и техника #жизнь #роботехника #научные исследования #электроника #будущее
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Электронная кожа. Это как?.