Nueva técnica de fabricación para electrónica flexible

Los circuitos informáticos ultradelgados y flexibles han sido un objetivo de ingeniería durante años, pero los obstáculos técnicos han impedido el grado de miniaturización necesario para lograr un alto rendimiento. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han inventado una técnica de fabricación que produce transistores atómicamente delgados y flexibles de menos de 100 nanómetros de longitud, varias veces más pequeños de lo que era posible anteriormente.

Con el avance, dijeron los investigadores, las llamadas “flextronics” se acercan más a la realidad. Los dispositivos electrónicos flexibles prometen circuitos de computadora flexibles, moldeables y de bajo consumo que se pueden usar o implantar en el cuerpo humano para realizar una miríada de tareas relacionadas con la salud. Además, la próxima "internet de las cosas", en la que casi todos los dispositivos de nuestras vidas están integrados e interconectados, debería beneficiarse de manera similar de flextronics.

Entre los materiales adecuados para la electrónica flexible, los semiconductores bidimensionales (2D) se han mostrado prometedores debido a sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, incluso a nanoescala, lo que los convierte en mejores candidatos que el silicio convencional o los materiales orgánicos.

El desafío de ingeniería hasta la fecha ha sido que la formación de estos dispositivos increíblemente delgados requiere un proceso que requiere demasiado calor para los sustratos de plástico flexible. Estos materiales simplemente se derretirían y descompondrían en el proceso de producción.

La solución, según los investigadores, es hacerlo por etapas, comenzando con un sustrato base que sea todo menos flexible. Formaron una película atómicamente delgada del disulfuro de molibdeno semiconductor 2D (MoS2) superpuesto con pequeños electrodos de oro con nanodiseño encima de una losa sólida de silicio recubierta con vidrio. Debido a que este paso se realiza en el sustrato de silicio convencional, las dimensiones del transistor a nanoescala se pueden modelar con técnicas de modelado avanzadas existentes, logrando una resolución que de otro modo sería imposible en sustratos de plástico flexible.

Esta técnica de capas, conocida como deposición química de vapor (CVD), hace crecer una película de MoS2 una capa de átomos a la vez. La película resultante tiene solo tres átomos de espesor, pero requiere temperaturas que alcancen los 850 °C (más de 1500 °F) para funcionar. En comparación, el sustrato flexible, hecho de poliimida, un plástico delgado, habría perdido su forma alrededor de los 360 °C (680 °F) y se habría descompuesto por completo a temperaturas más altas.

Al modelar y formar primero estas partes críticas en silicio rígido y dejar que se enfríen, los investigadores de Stanford pueden aplicar el material flexible sin dañarlo. Con un simple baño en agua desionizada, la pila completa del dispositivo se despega y ahora se transfiere por completo a la poliimida flexible.

Después de algunos pasos de fabricación adicionales, los resultados son transistores flexibles capaces de tener un rendimiento varias veces mejor que cualquiera producido antes con semiconductores atómicamente delgados. Los investigadores dijeron que si bien se pueden construir circuitos completos y luego transferirlos al material flexible, ciertas complicaciones con las capas posteriores facilitan estos pasos adicionales después de la transferencia.

“Al final, toda la estructura tiene solo 5 micrones de espesor, incluida la poliimida flexible”, dijo el profesor Eric Pop. "Eso es unas diez veces más delgado que un cabello humano".

Si bien el logro técnico en la producción de transistores a nanoescala en un material flexible es notable por derecho propio, los investigadores también describieron sus dispositivos como de "alto rendimiento", lo que en este contexto significa que pueden manejar altas corrientes eléctricas mientras funcionan a bajo voltaje. , según sea necesario para un bajo consumo de energía.

“Esta reducción de escala tiene varios beneficios”, dijo el Dr. Daus. "Puede colocar más transistores en un espacio determinado, por supuesto, pero también puede tener corrientes más altas a un voltaje más bajo:alta velocidad con menos consumo de energía".

Mientras tanto, los contactos de metal dorado disipan y propagan el calor generado por los transistores mientras están en uso, calor que, de lo contrario, podría poner en peligro la poliimida flexible.

Con un prototipo y una solicitud de patente completos, Daus y Pop han pasado a sus próximos desafíos de refinar los dispositivos. Han construido transistores similares utilizando otros dos semiconductores atómicamente delgados (MoSe2 y WSe2) para demostrar la amplia aplicabilidad de la técnica.

Mientras tanto, Daus dijo que está buscando integrar circuitos de radio con los dispositivos, lo que permitirá que futuras variaciones se comuniquen de forma inalámbrica con el mundo exterior, otro gran salto hacia la viabilidad de flextronics, particularmente aquellos implantados en el cuerpo humano o integrados profundamente dentro de otros dispositivos. conectado al internet de las cosas.

“Esto es más que una técnica de producción prometedora. Hemos logrado flexibilidad, densidad, alto rendimiento y bajo consumo, todo al mismo tiempo”, dijo Pop. "Es de esperar que este trabajo haga avanzar la tecnología en varios niveles".