Nova técnica de fabricação para eletrônicos flexíveis

Circuitos de computador ultrafinos e flexíveis têm sido uma meta de engenharia há anos, mas obstáculos técnicos impediram o grau de miniaturização necessário para alcançar alto desempenho. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford inventaram uma técnica de fabricação que produz transistores flexíveis e atomicamente finos com menos de 100 nanômetros de comprimento – várias vezes menores do que era possível anteriormente.

Com o avanço, disseram os pesquisadores, os chamados “flextronics” se aproximam da realidade. A eletrônica flexível promete circuitos de computador dobráveis, moldáveis ​​e eficientes em termos de energia que podem ser usados ​​ou implantados no corpo humano para realizar inúmeras tarefas relacionadas à saúde. Além disso, a vindoura “internet das coisas”, na qual quase todos os dispositivos em nossas vidas estão integrados e interconectados, também deve se beneficiar da flextronics.

Entre os materiais adequados para eletrônica flexível, os semicondutores bidimensionais (2D) têm se mostrado promissores devido às suas excelentes propriedades mecânicas e elétricas, mesmo em nanoescala, tornando-os melhores candidatos do que o silício convencional ou materiais orgânicos.

O desafio de engenharia até o momento é que a formação desses dispositivos quase impossivelmente finos requer um processo que consome muito calor para substratos plásticos flexíveis. Esses materiais simplesmente derreteriam e se decomporiam no processo de produção.

A solução, de acordo com os pesquisadores, é fazê-lo em etapas, começando com um substrato base que é tudo menos flexível. Eles formaram um filme atomicamente fino do dissulfeto de molibdênio semicondutor 2D (MoS2) sobreposto com pequenos eletrodos de ouro nano-padronizados sobre uma placa sólida de silício revestida com vidro. Como esta etapa é realizada no substrato de silício convencional, as dimensões do transistor em nanoescala podem ser padronizadas com técnicas avançadas de padronização existentes, alcançando uma resolução impossível em substratos plásticos flexíveis.

Essa técnica de estratificação, conhecida como deposição química de vapor (CVD), desenvolve um filme de MoS2 uma camada de átomos de cada vez. O filme resultante tem apenas três átomos de espessura, mas requer temperaturas que chegam a 850°C (acima de 1500°F) para funcionar. Em comparação, o substrato flexível - feito de poliimida, um plástico fino - teria perdido sua forma em torno de 360°C (680°F) e completamente decomposto em temperaturas mais altas.

Ao primeiro padronizar e formar essas partes críticas em silício rígido e permitir que esfriem, os pesquisadores de Stanford podem aplicar o material flexível sem danos. Com um simples banho em água deionizada, toda a pilha de dispositivos se desprende, agora totalmente transferida para a poliimida flexível.

Após algumas etapas adicionais de fabricação, os resultados são transistores flexíveis capazes de desempenho várias vezes melhor do que qualquer outro produzido antes com semicondutores atomicamente finos. Os pesquisadores disseram que, embora circuitos inteiros possam ser construídos e depois transferidos para o material flexível, certas complicações com camadas subsequentes facilitam essas etapas adicionais após a transferência.

“No final, toda a estrutura tem apenas 5 mícrons de espessura, incluindo a poliimida flexível”, disse o professor Eric Pop. “Isso é cerca de dez vezes mais fino que um cabelo humano.”

Embora a conquista técnica na produção de transistores em nanoescala em um material flexível seja notável por si só, os pesquisadores também descreveram seus dispositivos como “alto desempenho”, o que neste contexto significa que eles são capazes de lidar com altas correntes elétricas enquanto operam em baixa tensão. , conforme necessário para baixo consumo de energia.

"Esta redução tem vários benefícios", disse o Dr. Daus. “Você pode colocar mais transistores em um determinado espaço, é claro, mas também pode ter correntes mais altas em tensão mais baixa – alta velocidade com menos consumo de energia.”

Enquanto isso, os contatos de metal dourado se dissipam e espalham o calor gerado pelos transistores durante o uso – calor que poderia comprometer a poliimida flexível.

Com um protótipo e um pedido de patente completos, Daus e Pop passaram para seus próximos desafios de refinar os dispositivos. Eles construíram transistores semelhantes usando dois outros semicondutores atomicamente finos (MoSe2 e WSe2) para demonstrar a ampla aplicabilidade da técnica.

Enquanto isso, Daus disse que está estudando a integração de circuitos de rádio com os dispositivos, o que permitirá que variações futuras se comuniquem sem fio com o mundo exterior – outro grande salto em direção à viabilidade dos flextronics, particularmente aqueles implantados no corpo humano ou integrados profundamente em outros dispositivos. conectado à internet das coisas.

“Esta é mais do que uma técnica de produção promissora. Alcançamos flexibilidade, densidade, alto desempenho e baixo consumo de energia – tudo ao mesmo tempo”, disse Pop. “Esperamos que este trabalho avance a tecnologia em vários níveis.”