(Phys.org) —Forskare har utvecklat en metod för att tillverka kiselbaserad elektronik som kan sträckas och viks utan att skada, kringgå problemet med extrem bräcklighet som ultratunna flexibla kiselmaterial traditionellt står inför.

Forskarna, ledd av Muhammad Mustafa Hussain vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), har publicerat ett papper om den vikbara kiselbaserade elektroniken i ett senaste nummer av Tillämpad fysikbokstäver .

De flesta av den flexibla elektronik som utvecklas idag är baserade på polymermaterial, men polymerer har sämre halvledande egenskaper jämfört med kisel. Också, till skillnad från kisel, de flesta polymerer är inte helt kompatibla med de vanliga tillverkningsprocesserna som används i dagens halvledarindustri.

Om kisel kan visa sig vara tillräckligt mekaniskt robust för att klara den töjning och böjning som krävs av flexibel elektronik, det skulle potentiellt erbjuda ett idealiskt material för att realisera kommersiell flexibel elektronik i stor skala.

I den nya studien, forskarna tar ett steg mot detta mål genom att designa en kiselbaserad enhet gjord av bulk-kisel "öar" sammankopplade med tunna, flexibla kiselfjädrar. De tjocka öarna ger mekaniskt stöd, medan de tunna fjädrarna ger flexibilitet.

En av de största utmaningarna var att designa mikroskalfjädrarna på ett sådant sätt att de förhindrar att de trasslar ihop med varandra, samtidigt som de fortfarande kan sträcka sig till flera gånger sin ursprungliga längd.

Även om forskarna övervägde spiralformer och fraktala mönster, den bästa designen de kom på inspirerades av att efterlikna naturens sfärulit-lamellära motiv, ett mönster som liknar de strålande linjer som ofta ses i stenar. Experiment visade att denna geometriska design har fördelen att sprida den böjningsinducerade belastningen över hela fjäderns längd.

På grund av de töjbara fjädrarna, den slutliga enheten kan sträckas till mer än fem gånger sin ursprungliga yta. Fjädrarna gör också att öarna kan vikas ovanpå varandra, vilket resulterar i en böjningsradie på 130 µm, som är oberoende av anordningens tjocklek.

"För ett fullt flexibelt och töjbart system, vi måste göra högpresterande kiselelektronik flexibel och töjbar, "Berättade Hussain Phys.org . "Dock, i sitt normala tillstånd är kisel styvt och skrymmande. I åratal, genom att gallra kisel eller liknande material, det vetenskapliga samfundet har gjort kisel flexibelt. Genom att anta olika fraktaldesigner, töjbarhet har också uppnåtts. Dock, sådant ultratunt flexibelt kisel är ömtåligt, så att när det sträcks, den misslyckas ofta med att behålla sin mekaniska integritet. Därför, vårt arbete löser avgörande alla dessa problem genom att visa en toppmodern CMOS-kompatibel process för att uppnå flexibelt och töjbart kisel med tillräcklig mekanisk stränghet. "

Eftersom de nya mönsterprocesserna är kompatibla med nuvarande halvledartillverkningsteknik, forskarna förväntar sig att denna design enkelt kan tillämpas på att tillverka ett brett utbud av flexibla enheter. Potentiella tillämpningar inkluderar bärbar elektronik, solceller som överensstämmer med böjda ytor, taktila skärmar som viks som origami, och 3D-stapling av integrerade kretsar. En annan möjlighet är avtagbara elektroniska komponenter, som är en viktig del av självförstörbar elektronik-enheter som kan förstöra sig själva när de känner att deras säkerhet hotas.

"Vi undersöker nya applikationsmöjligheter för elektronik för att stärka mänskligheten, "Hussain sa." Vårt nuvarande arbete innebär att utveckla robusta tillverkningsbara processer för nya applikationer. I det avseendet, vårt nästa mål är att utveckla en beräkningsutrustning som kan sträckas och vikas efter behov. I framtiden ser vi också för oss implanterbar elektronik som kan omformas och omkonfigureras med hjälp av de utvecklade teknikerna för att följa den naturliga tillväxten hos en persons kroppsorgan. "

© 2017 Phys.org