Инженеры хотели бы создавать гибкие электронные устройства, такие как электронные книги, которые можно сложить и поместить в карман. Один из подходов, который они пробуют, заключается в разработке схем на основе электронных волокон, известных как углеродные нанотрубки (УНТ), вместо жестких кремниевых чипов.
Но важна надежность. Большинство кремниевых чипов основаны на схемотехнике, которая позволяет им работать безупречно, даже когда устройство испытывает колебания мощности. Однако сделать это со схемами CNT гораздо сложнее.
Теперь команда из Стэнфорда разработала процесс создания гибких микросхем, которые могут выдерживать колебания мощности почти так же, как кремниевые схемы.
«Впервые кто-либо разработал гибкие схемы CNT, которые обладают как высокой устойчивостью к электрическим помехам, так и низким энергопотреблением», - сказал Чжэнань Бао, профессор химического машиностроения в Стэнфорде с любезным назначением в области химии и химии. Материаловедение и инженерия.
Группа сообщила о своих выводах в Proceedings of the National Academy of Sciences. Хуйлян (Эван) Ван, аспирант лаборатории Бао, и Пэн Вэй, предыдущий постдоктор в лаборатории Бао, были ведущими авторами статьи. В команду Бао также входили И Цуй, адъюнкт-профессор материаловедения в Стэнфорде, и Хе Рён Ли, аспирант его лаборатории.
В принципе, УНТ идеально подходят для изготовления гибких электронных схем. Эти сверхтонкие углеродные нити обладают физической прочностью, способной противостоять износу при изгибе, и электропроводностью, позволяющей выполнять любые электронные задачи.
Но до этой недавней работы команды из Стэнфорда гибкие схемы УНТ не обладали надежностью и энергоэффективностью жестких кремниевых чипов.
Вот причина. Со временем инженеры обнаружили, что электричество может проходить через полупроводники двумя разными способами. Он может прыгать от положительной дыры к положительной дыре, или он может проталкиваться через кучу отрицательной электроники, как ожерелье из бисера. Первый тип полупроводника называется P-типом, второй - N-типом.
Самое главное, инженеры обнаружили, что схемы, основанные на комбинации транзисторов P-типа и N-типа, надежно работают даже при колебаниях мощности, а также потребляют гораздо меньше энергии. Этот тип схемы с транзисторами P-типа и N-типа называется комплементарной схемой. За последние 50 лет инженеры научились создавать эту идеальную смесь проводящих путей, изменяя атомную структуру кремния путем добавления небольшого количества полезных веществ - процесс, называемый «легированием», который концептуально схож с тем, что наши предки делали тысячи раз. лет назад, когда они смешали олово с расплавленной медью, чтобы создать бронзу.
Проблема, стоящая перед командой из Стэнфорда, заключалась в том, что УНТ преимущественно являются полупроводниками P-типа, и не было простого способа легировать эти углеродные нити, чтобы добавить характеристики N-типа.
В документе PNAS объясняется, как инженеры из Стэнфорда преодолели эту проблему. Они обрабатывали УНТ химической присадкой, которую они разработали, известную как DMBI, и использовали струйный принтер для нанесения этого вещества в точные места на схеме.
Это был первый случай, когда любая гибкая схема CNT была легирована для создания смеси P-N, которая может надежно работать, несмотря на колебания мощности, и с низким энергопотреблением.
Стэнфордский процесс также потенциально применим к жестким УНТ. Хотя другие инженеры ранее применяли легирование жестких УНТ, чтобы сделать их невосприимчивыми к электрическим помехам, точный и точно настроенный Стэнфордский процесс превосходит эти предшествующие усилия, предполагая, что он может быть полезен как для гибких, так и для жестких схем УНТ.
Бао сосредоточила свои исследования на гибких УНТ, которые конкурируют с другими экспериментальными материалами, такими как специально разработанный пластик, чтобы стать основой для гибкой электроники, точно так же, как кремний был основой для жесткой электроники.
Как относительно новый материал, УНТ догоняют пластики, которые ближе к массовому использованию на рынке для таких вещей, как гибкие экраны дисплеев. Процесс легирования в Стэнфорде приближает гибкие УНТ к коммерциализации, потому что он показывает, как создать смесь P-N и, как следствие, повысить надежность и энергопотребление, которые уже присутствуют в пластиковых схемах.
Хотя предстоит проделать большую работу, чтобы сделать УНТ коммерческими, Бао считает, что эти углеродные нити - будущее гибкой электроники, потому что они достаточно прочны, чтобы сгибаться и растягиваться, а также способны обеспечивать более высокую производительность, чем пластиковые схемы.
«УНТ предлагают лучшие долгосрочные электронные и физические характеристики», - сказал Бао.