I hjärtat av alla elektroniska enheter är en förkylning, hårddatorchip, täckt av en miniatyrstad av transistorer och andra halvledande element. Eftersom datorchips är styva, elektroniska enheter som de driver, som våra smartphones, bärbara datorer, klockor, och tv, är på samma sätt oflexibla.

Nu kan en process som utvecklats av MIT-ingenjörer vara nyckeln till att tillverka flexibel elektronik med flera funktioner på ett kostnadseffektivt sätt.

Processen kallas "remote epitaxy" och innebär att tunna filmer av halvledande material odlas på en stor, tjock skiva av samma material, som är täckt i ett mellanlager av grafen. När forskarna väl odlar en halvledande film, de kan skala bort det från den grafentäckta skivan och sedan återanvända skivan, vilket i sig kan vara dyrt beroende på vilken typ av material det är tillverkat av. På det här sättet, laget kan kopiera och skala bort valfritt antal tunna, flexibla halvledande filmer, med samma underliggande skiva.

I ett papper publicerat idag i tidningen Natur , forskarna visar att de kan använda fjärran epitaxy för att producera fristående filmer av något funktionellt material. Mer viktigt, de kan stapla filmer gjorda av dessa olika material, att producera flexibel, multifunktionella elektroniska enheter.

Forskarna förväntar sig att processen kan användas för att producera stretchiga elektroniska filmer för en mängd olika användningsområden, inklusive virtual reality-aktiverade kontaktlinser, soldrivna skinn som formar sig efter bilens konturer, elektroniska tyger som reagerar på vädret, och annan flexibel elektronik som fram till nu tycktes vara grejer i Marvel -filmer.

"Du kan använda denna teknik för att blanda och matcha allt halvledande material för att få ny enhetsfunktion, i ett flexibelt chip, "säger Jeehwan Kim, docent i maskinteknik vid MIT. "Du kan göra elektronik i vilken form som helst."

Köptid

Kim och hans kollegor rapporterade sina första resultat med fjärran epitaxy 2017. Sedan, de kunde producera tunna, flexibla filmer av halvledande material genom att först lägga ett lager grafen på ett tjockt, dyrt skiva tillverkat av en kombination av exotiska metaller. De flödade atomer av varje metall över den grafentäckta skivan och fann att atomerna bildade en film ovanpå grafen, i samma kristallmönster som den underliggande skivan. Grafenen gav en nonstick -yta från vilken forskarna kunde skala bort den nya filmen, lämnar den grafentäckta skivan, som de kan återanvända.

År 2018, laget visade att de kunde använda fjärran epitaxy för att göra halvledande material av metaller i grupp 3 och 5 i det periodiska systemet, men inte från grupp 4. Orsaken, de hittade, kokade ner till polaritet, eller de respektive laddningarna mellan atomerna som flyter över grafen och atomerna i den underliggande skivan.

Sedan denna insikt, Kim och hans kollegor har provat ett antal allt mer exotiska halvledande kombinationer. Som rapporterats i denna nya tidning, laget använde fjärran epitaxy för att göra flexibla halvledande filmer av komplexa oxider - kemiska föreningar gjorda av syre och minst två andra element. Komplexa oxider är kända för att ha ett brett spektrum av elektriska och magnetiska egenskaper, och vissa kombinationer kan generera en ström när de är fysiskt sträckta eller utsatta för ett magnetfält.

Kim säger att möjligheten att tillverka flexibla filmer av komplexa oxider kan öppna dörren till nya energibesparande enheter, såsom ark eller täckningar som sträcker sig som svar på vibrationer och producerar elektricitet som ett resultat. Tills nu, komplexa oxidmaterial har endast tillverkats på styva, millimetertjocka skivor, med begränsad flexibilitet och därför begränsad energiproducerande potential.

Forskarna var tvungna att justera sin process för att göra komplexa oxidfilmer. De fann initialt att när de försökte tillverka en komplex oxid som strontiumtitanat (en förening av strontium, titan, och tre syreatomer), syreatomerna som de flödade över grafen tenderade att binda med grafenens kolatomer, etsa bort bitar av grafen istället för att följa det underliggande skivmönstret och binda med strontium och titan. Som en förvånansvärt enkel fix, forskarna lade till ett andra lager av grafen.

"Vi såg att när det första lagret av grafen etsades av, oxidföreningar har redan bildats, så elementärt syre, när den bildar dessa önskade föreningar, interagerar inte lika tungt med grafen, "Kim förklarar." Så två lager grafen köper lite tid för att denna förening ska bildas. "

Skala och stapla

Teamet använde sin nyjusterade process för att göra filmer av flera komplexa oxidmaterial, skala bort varje 100-nanometer-tunt lager när det gjordes. De kunde också stapla ihop lager av olika komplexa oxidmaterial och effektivt limma ihop dem genom att värma dem något, producera en flexibel, multifunktionell enhet.

"Detta är den första demonstrationen av stapling av flera nanometer-tunna membran som LEGO-block, vilket har varit omöjligt eftersom alla funktionella elektroniska material finns i en tjock skivform, "Säger Kim.

I ett experiment, laget staplade ihop filmer av två olika komplexa oxider:koboltferrit, känd för att expandera i närvaro av ett magnetfält, och PMN-PT, ett material som genererar spänning vid sträckning. När forskarna utsatte flerskiktsfilmen för ett magnetfält, de två lagren samarbetade för att både expandera och producera en liten elektrisk ström.

Resultaten visar att fjärran epitaxy kan användas för att göra flexibel elektronik från en kombination av material med olika funktioner, som tidigare var svåra att kombinera till en enhet. För koboltferrit och PMN-PT, varje material har ett annat kristallint mönster. Kim säger att traditionella epitaxy -tekniker, som odlar material vid höga temperaturer på en skiva, kan bara kombinera material om deras kristallina mönster matchar. Han säger att med fjärran epitaxy, forskare kan göra hur många olika filmer som helst, använder olika, återanvändbara skivor, och sedan stapla ihop dem, oavsett deras kristallina mönster.

"Den stora bilden av detta arbete är, du kan kombinera helt olika material på ett ställe tillsammans, "Kim säger." Nu kan du föreställa dig en tunn, flexibel enhet gjord av lager som inkluderar en sensor, datorsystem, ett batteri, en solcell, så du kan ha en flexibel, självgående, internet-of-things staplat chip. "

Teamet utforskar olika kombinationer av halvledande filmer och arbetar med att utveckla prototypenheter, som något Kim kallar en "elektronisk tatuering" - en flexibel, transparent chip som kan fästa och anpassa sig till en persons kropp för att känna och trådlöst vidarebefordra vitala tecken som temperatur och puls.

"Vi kan nu göra tunna, flexibel, bärbar elektronik med högsta funktionalitet, "Säger Kim." Skala bara av och stapla ihop. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.