Los ingenieros mezclan y combinan materiales para crear nuevos dispositivos electrónicos expandibles



En el corazón de cualquier dispositivo electrónico hay un chip de computadora frío y duro, cubierto con una ciudad en miniatura de transistores y otros elementos semiconductores. Debido a que los chips de computadora son rígidos, los dispositivos electrónicos que alimentan, como nuestros teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, relojes y televisores, también son inflexibles.

Ahora, un proceso desarrollado por los ingenieros del MIT puede ser la clave para fabricar productos electrónicos flexibles con múltiples funciones de manera rentable.

El proceso se llama "epitaxia remota" e implica el crecimiento de películas delgadas de material semiconductor en una oblea grande y gruesa del mismo material, que está cubierto con una capa intermedia de grafeno. Una vez que los investigadores han desarrollado una película semiconductora, pueden despegarla de la oblea cubierta de grafeno y luego reutilizarla, lo que puede ser costoso dependiendo del tipo de material del que está hecho. De esta manera, el equipo puede copiar y pelar cualquier cantidad de películas semiconductoras delgadas y flexibles, utilizando la misma oblea subyacente.

En un artículo publicado hoy en la revista. La naturaleza, los investigadores demuestran que pueden usar la epitaxia a distancia para producir películas autoportantes de cualquier material funcional. Lo más importante es que pueden apilar películas hechas de estos diferentes materiales, para producir dispositivos electrónicos flexibles y multifuncionales.

Los investigadores esperan que el proceso pueda usarse para producir películas electrónicas expandibles para una amplia variedad de usos, incluyendo lentes de contacto compatibles con realidad virtual, máscaras con energía solar que Adaptarse a los contornos de su automóvil, telas electrónicas que responden a las condiciones climáticas y otros dispositivos electrónicos flexibles que hasta ahora parecían ser parte de las películas de Marvel.

"Puede usar esta técnica para mezclar y combinar cualquier material semiconductor para tener una nueva funcionalidad del dispositivo, en un chip flexible", dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Puedes crear productos electrónicos de cualquier forma".

Los coautores de Kim incluyen a Hyun S. Kum, Sungkyu Kim, Wei Kong, Kuan Qiao, Peng Chen, Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Chanyeol Choi, Luigi Ranno, Seungju Seo, Sangho Lee, Jackson Bauer y Caroline Ross du MIT, así como colaboradores de la Universidad de Wisconsin en Madison, la Universidad de Cornell, la Universidad de Virginia, la Universidad Penn State, la Universidad Sun Yat-Sen y Instituto Coreano de Investigación de Energía Atómica.

Tiempo de compra

Kim y sus colegas informaron sus primeros resultados utilizando la epitaxia remota en 2017. Luego, pudieron producir películas delgadas y flexibles de material semiconductor colocando primero una capa de grafeno en un rebanada gruesa y costosa hecha de una combinación de metales exóticos. Vertieron átomos de cada metal sobre la oblea cubierta de grafeno y descubrieron que los átomos formaron una película en la parte superior del grafeno, en el mismo patrón de cristal que la oblea subyacente. El grafeno proporcionó una superficie antiadherente de la que los investigadores pudieron despegar la nueva película, dejando la oblea cubierta de grafeno, que podrían reutilizar.

En 2018, el equipo demostró que podía usar epitaxia a distancia para fabricar materiales semiconductores a partir de metales en los grupos 3 y 5 de la tabla periódica, pero no en el grupo 4. Descubrieron que la razón se debía a la polaridad o las respectivas cargas entre los átomos que circulan en el grafeno y los átomos en la oblea subyacente.

Desde este logro, Kim y sus colegas han intentado una serie de combinaciones de semiconductores cada vez más exóticas. Como se señaló en este nuevo documento, el equipo usó epitaxia remota para hacer películas semiconductoras flexibles a partir de óxidos complejos, compuestos químicos hechos de oxígeno y de al menos otros dos elementos. Se sabe que los óxidos complejos tienen una amplia gama de propiedades eléctricas y magnéticas, y ciertas combinaciones pueden generar corriente cuando se estiran físicamente o se exponen a un campo magnético.

Kim dice que la capacidad de hacer películas flexibles de óxidos complejos podría abrir la puerta a nuevos dispositivos de recuperación de energía, como láminas o recubrimientos que se estiran en respuesta a la vibración y generar electricidad en consecuencia. Hasta ahora, los materiales complejos a base de óxido solo se han producido en rodajas rígidas de espesor milimétrico, con flexibilidad limitada y, por lo tanto, potencial de generación. energía limitada

Los investigadores tuvieron que ajustar su proceso de fabricación para películas de óxido complejas. Descubrieron por primera vez que cuando intentaban fabricar un óxido complejo como el titanato de estroncio (un compuesto de estroncio, titanio y tres átomos de oxígeno), los átomos de los átomos El oxígeno que pasaban sobre el grafeno tendía a unirse con los átomos de carbono del grafeno, grabando piezas de grafeno en lugar de seguir el patrón de la oblea subyacente. y para unir con estroncio y titanio. Como una solución sorprendentemente simple, los investigadores agregaron una segunda capa de grafeno.

"Hemos visto que cuando se graba la primera capa de grafeno, los compuestos de óxido ya se han formado, por lo que el oxígeno elemental, una vez que se forman estos compuestos deseados , no interactúa tan fuertemente con el grafeno ", dice Kim. "Entonces, dos capas de grafeno ahorran tiempo para que se forme este compuesto".

Pelar y apilar

El equipo utilizó su proceso recientemente modificado para hacer películas de múltiples materiales complejos de óxido, despegando cada capa delgada de 100 nanómetros a medida que se hace. También pudieron apilar capas de diferentes materiales de óxido complejos y pegarlas juntas calentándolas ligeramente, produciendo un dispositivo flexible y multifuncional.

"Esta es la primera demostración de apilar membranas delgadas de espesor nanométrico como los bloques LEGO, lo cual fue imposible porque todos los materiales electrónicos funcionales existen en forma de una oblea gruesa", dice Kim.

En un experimento, el equipo apiló películas de dos óxidos complejos diferentes: ferrita de cobalto, conocida por expandirse en presencia de un campo magnético, y PMN-PT, un material que genera tensión cuando se estira. Cuando los investigadores expusieron la película multicapa a un campo magnético, las dos capas trabajaron juntas para expandirse y producir una pequeña corriente eléctrica.

Los resultados demuestran que la epitaxia remota se puede utilizar para hacer electrónica flexible a partir de una combinación de materiales con diferentes funcionalidades, que anteriormente eran difíciles de combinar en un solo dispositivo. En el caso de ferrita de cobalto y PMN-PT, cada material tiene un patrón de cristal diferente. Kim dice que las técnicas tradicionales de epitaxia, que cultivan materiales a altas temperaturas en una sola oblea, solo pueden combinar materiales si sus patrones de cristal coinciden. Él dice que con la epitaxia remota, los investigadores pueden crear cualquier cantidad de películas diferentes, usando diferentes placas reutilizables, y luego apilarlas juntas, independientemente de su patrón de cristal.

"La visión general de este trabajo es que puedes combinar materiales totalmente diferentes en un solo lugar", dice Kim. "Ahora puedes imaginar un dispositivo delgado y flexible compuesto de capas que incluyen un sensor, un sistema informático, una batería, una célula solar, para que puedas tener un chip apilado flexible y autoalimentado e Internet de las cosas".

El equipo explora varias combinaciones de películas de semiconductores y trabaja en el desarrollo de prototipos de dispositivos, como lo que Kim llama un "tatuaje electrónico", un chip flexible y transparente que puede adherirse y adaptarse al cuerpo. de una persona para detectar y transmitir de forma inalámbrica signos vitales como la temperatura y el pulso.

"Ahora podemos fabricar dispositivos electrónicos delgados, flexibles y portátiles con la mejor funcionalidad", dice Kim. "Despega y apila".

Esta investigación fue financiada en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa Defensa en los Estados Unidos.

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