Stanford-forskare har utvecklat en ny metod för att fästa nanotrådselektronik på ytan av praktiskt taget alla föremål, oavsett dess form eller vilket material den är gjord av. Metoden skulle kunna användas för att göra allt från bärbar elektronik och flexibla datorskärmar till högeffektiva solceller och ultrakänsliga biosensorer.
Nanowire -elektronik är lovande byggstenar för praktiskt taget alla digitala elektroniska enheter som används idag, inklusive datorer, kameror och mobiltelefoner. De elektroniska kretsarna är vanligtvis tillverkade på ett kiselchip. Kretsen fäster vid chipets yta under tillverkningen och är extremt svår att ta bort, så när kretsen är inbyggd i en elektronisk enhet, den förblir fäst vid chippet. Men kiselchips är styva och spröda, begränsar den möjliga användningen av bärbar och flexibel nanotrådselektronik.
Nyckeln till den nya metoden är att belägga kiselskivans yta med ett tunt lager nickel innan de elektroniska kretsarna tillverkas. Nickel och kisel är båda hydrofila, eller "vattenälskande, " vilket betyder när de utsätts för vatten efter att tillverkningen av nanotrådsenheter är klar, vattnet tränger lätt in mellan de två materialen, ta bort nickeln och den överliggande elektroniken från kiselskivan.
"Lossningen kan göras vid rumstemperatur i vatten och tar bara några sekunder, sa Xiaolin Zheng, en biträdande professor i maskinteknik, som ledde forskargruppen som utvecklade processen. "Överföringsprocessen är nästan 100 procent framgångsrik, vilket innebär att enheterna kan överföras utan att ta skada."
Efter avskildhet, kiselskivorna är rena och redo att återanvändas, vilket borde minska tillverkningskostnaderna avsevärt.
Zheng är en av författarna till ett papper som beskriver metoden som kommer att publiceras i ett kommande nummer av Nanobokstäver . Tidningen är tillgänglig online nu. Chi Hwan Lee och Dong Rip Kim, båda doktorander i Zhengs labb, är medförfattare.
Efter att ha applicerat nickelskiktet på kiselchipet, forskarna lade också ner ett ultratunt lager av en polymer för att fungera som en isolator och ge mekaniskt stöd för elektroniken.
Det ultratunna polymerskiktet är också extremt flexibelt, vilket är det som gör att Zheng och hennes team kan fästa sin nanotrådselektronik till ett brett utbud av former och material inklusive papper, textilier, plast, glas, aluminiumfolie, latexhandskar – till och med en skrynklig colaburk och en mosad vattenflaska i plast.
"Polymerskikten vi använder är ungefär 15 gånger tunnare än plastfolien du använder för att täcka en tallrik mat, " sa Zheng. "Eftersom polymeren har en så stor grad av flexibilitet, du kan linda polymeren med nanotrådsenheter ovanpå vad som helst samtidigt som du följer formen på vilket föremål som helst."
För närvarande har hennes team arbetat med polymerskikt som är cirka 800 nanometer tjocka. En nanometer är en miljonedel av en millimeter.
Men vad gör enheterna så flexibla, vad gör att enheterna kan böjas med det flexibla substratet, är den korta längden på nanotrådarna som används för att tillverka kretsen.
"Längden på dessa nanotrådar är bara ett par tusendelar av en millimeter lång, ", sa Zheng. "Jämfört med krökningen på föremålen vi fäster dem på, det är riktigt kort, så det är väldigt lite påfrestningar på nanotrådarna."
Eftersom nanotrådarna är så korta, när de placeras på en slingrande yta – även de skarpa krökarna på en mosad vattenflaska av plast – är det som om ytan är praktiskt taget platt.
Enheterna kan också enkelt appliceras på en yta, avlägsnas och appliceras igen på en annan yta, upprepat, utan att försämra kretsen.
Några av de stora tillämpningarna av processen som Zheng förutser kommer att vara inom området biologisk forskning. Nanotrådsenheter kan fästas direkt på hjärt- eller hjärnvävnad för att mäta de elektriska signalerna från dessa vävnader.
"Forskare kan mäta hjärtarytmier eller hur en neuron eldar, " sa hon. "De här signalerna är elektriska, men för att mäta dem behöver du en mycket anpassningsbar, mycket tunn beläggning som gör att signalerna kan spridas över substratet."
Överföringsprocessen kan också användas för att utveckla högeffektiva flexibla solceller och skulle sannolikt ha användningsområden inom robotik, också.
"Möjligheterna är verkligen obegränsade, " sa Zheng.
