Een team van onderzoekers van Stanford heeft bijna twee decennia besteed aan het ontwikkelen van huidachtige geïntegreerde schakelingen die kunnen worden uitgerekt, gevouwen, gebogen en gedraaid - terwijl ze de hele tijd werken - en vervolgens zonder fouten terug te schieten, elke keer weer. Dergelijke circuits voorspellen een dag van draagbare en implanteerbare producten, maar één hindernis heeft altijd in de weg gestaan.
Het team denkt een oplossing te hebben. In een nieuwe studie beschrijft de groep hoe ze rekbare maar duurzame geïntegreerde schakelingen hebben geprint op rubberachtige, huidachtige materialen, met dezelfde apparatuur die is ontworpen om solide siliciumchips te maken - een prestatie die de overgang naar commercialisering zou kunnen vergemakkelijken door van gieterij te veranderen die vandaag starre circuits maken tot rekbare.
Het proces stelde de onderzoekers in staat om meer dan 40,000 transistors in een enkele vierkante centimeter rekbare schakelingen te persen, maar het team denkt dat het dubbele van dat aantal binnen handbereik is. Hoewel dat nog ver verwijderd is van de miljarden transistors die op siliciumchips in hetzelfde gebied kunnen worden geperst, zou het voldoende zijn om eenvoudige circuits te creëren voor on-skin sensoren, netwerken op lichaamsschaal en implanteerbare bio-elektronica met toepassingen die nog moeten worden verbeeld worden.
“Onze methode verbetert de elastischeTransistor dichtheid met meer dan 100 keer wat iemand anders tot nu toe heeft bereikt. En het doet het met uitstekende uniformiteit in de transistors, terwijl het niets inlevert op elektronische of mechanische prestaties”, aldus de onderzoeker.
Oud proces, nieuwe chemie
Een groot voordeel van het Stanford-proces is dat het kan worden gedaan met dezelfde apparatuur die tegenwoordig wordt gebruikt om siliciumchips te maken. Het proces, bekend als fotolithografie, maakt gebruik van ultraviolet (UV) licht om een ingewikkeld, elektrisch actief geometrisch patroon over te brengen - een circuit—laag voor laag op een stevige ondergrond. Het is een complex, meerstaps proces van coaten, belichten met licht, chemisch etsen en spoelen dat het allerbelangrijkste circuit achterlaat.
Deze methode werkt al tientallen jaren in de Halfgeleider industrie, maar tot op heden wassen de chemicaliën die worden gebruikt om de lichtbestendige materialen op te lossen en weg te wassen, ook de huidachtige polymeren weg die de basis vormen van rekbare circuits. Door nieuwe fotochemie te ontwikkelen die op deze rekbare materialen werkt, leert het team van Bao beproefde productieapparatuur om nieuwe trucjes te doen. In feite maakt het Stanford-proces zelfs een einde aan enkele van de stappen die nodig zijn bij de productie van silicium. Dit alles zorgt voor een opmerkelijk resultaat.
Dicht en duurzaam
Het team gebruikte het nieuwe proces om flexibele circuits te produceren van ongeveer hetzelfde elektrisch prestaties als transistors die worden gebruikt voor huidige computerschermen - handig voor praktische toepassingen - en testten vervolgens hun materialen op duurzaamheid en prestaties. Door de circuits uit te rekken om hun oorspronkelijke afmetingen te verdubbelen, zowel parallel als loodrecht op de circuitrichting, vertoonden de nieuw gedrukte materialen geen scheuren, delaminatie of, belangrijker nog, de achteruitgang in functie. Elektrisch bleven de transistoren stabiel, zelfs na 1,000 herhaalde strekkingen.
