Optisk bild av flexibel och töjbar tunnfilmstransistoruppsättning som täcker en baseboll visar den mekaniska robustheten hos detta bakplansmaterial för framtida elektroniska plastenheter. Bild med tillstånd av Berkeley Lab
(PhysOrg.com) -- Att prägla elektroniska kretsar på bakplan som är både flexibla och töjbara lovar att revolutionera ett antal industrier och göra "smarta enheter" nästan överallt. Bland de applikationer som har tänkt sig är elektroniska kuddar som kan vikas bort som papper, beläggningar som kan övervaka ytor för sprickor och andra strukturella fel, medicinska bandage som kan behandla infektioner och livsmedelsförpackningar som kan upptäcka förstörelse. Från solceller till pacemaker till kläder, listan över smarta applikationer för så kallad "plastelektronik" är både flexibel och töjbar. Först, dock, lämpliga backplan måste massproduceras på ett kostnadseffektivt sätt.
Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en lovande ny och billig teknik för att tillverka storskaliga flexibla och töjbara bakplan med hjälp av halvledarberikade kolnanorörslösningar som ger nätverk av tunnfilmstransistorer med fantastiska elektriska egenskaper, inklusive en laddningsbärares rörlighet som är dramatiskt högre än den för ekologiska motsvarigheter. För att demonstrera användbarheten av deras kolnanorörsbakplan, forskarna konstruerade en konstgjord elektronisk hud (e-skin) som kan upptäcka och reagera på beröring.
"Med vår lösningsbaserade behandlingsteknik, vi har producerat mekaniskt flexibla och töjbara bakplan med aktiv matris, baserat på helt passiverade och mycket enhetliga uppsättningar av tunnfilmstransistorer gjorda av enväggiga kolnanorör som jämnt täcker områden på cirka 56 kvadratcentimeter, "säger Ali Javey, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California (UC) Berkeley. "Denna teknik, i kombination med bläckstråleutskrift av metallkontakter, bör tillhandahålla litografifri tillverkning av billig flexibel och töjbar elektronik i framtiden."
Javey är motsvarande författare till ett papper i tidningen Nanobokstäver som beskriver detta arbete med titeln "Carbon Nanotube Active-Matrix Backplanes for Conformal Electronics and Sensors." Medförfattare till detta papper var Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies och Ronald Fearing.
(Vänster) Optisk bild av e-skin med ett L-format föremål placerat ovanpå. (Höger) Tvådimensionell tryckkartläggning erhållen från det L-formade objektet. Bild med tillstånd av Berkeley Lab
Med efterfrågan på plastelektronik så hög, forskning och utveckling på detta område har varit intensivt under det senaste decenniet. Enkelväggiga kolnanorör (SWNT) har dykt upp som ett av de mest konkurrerande halvledarmaterialen för plastelektronik, främst för att de har hög rörlighet för elektroner - ett mått på hur snabbt en halvledare leder elektricitet. Dock, SWNT kan ha formen av antingen en halvledare eller en metall och en typisk SWNT-lösning består av två tredjedelar av halvledande och en tredjedel av metallrör. Denna blandning ger nanorörsnätverk som uppvisar låga på/av-strömförhållanden, vilket utgör ett stort problem för elektroniska applikationer som huvudförfattaren till NanoLetters-tidningen Takahashi förklarar.
"Ett på/av-strömförhållande så högt som möjligt är viktigt för att minska avbrottet från pixlar i ett avstängt tillstånd, "säger han." Till exempel med vår e-skin-enhet, när vi trycker kartläggning, vi vill bara få signalen från den på-statliga pixeln på vilken tryck appliceras. Med andra ord, vi vill minimera strömmen så liten som möjligt från de andra pixlarna som ska vara avstängda. För detta behöver vi ett högt på/av-strömförhållande."
För att göra sina bakplan, Javey, Takahashi och deras medförfattare använde en SWNT-lösning berikad till att vara 99 procent halvledarrör. Denna mycket renade lösning gav forskarna ett högt på/av-förhållande (ungefär 100) för sina bakplan. Arbeta med ett tunt substrat av polymid, a
höghållfast polymer med överlägsen flexibilitet, de laserskar ett bikakemönster av hexagonala hål som gjorde underlaget töjbart också. Hålen skars med en fast stigning på 3,3 millimeter och en varierad hålsidelängd som varierade från 1,0 till 1,85 millimeter.
"Mången till vilken substratet kunde sträckas ökade från 0 till 60 procent när sidolängden på de sexkantiga hålen ökade till 1,85 mm, " säger Takahashi. "I framtiden, graderna av sträckbarhet och riktningsbarhet bör kunna justeras genom att antingen ändra hålstorleken eller optimera nätdesignen."
Bakplan kompletterades med avsättning på substraten av lager av kisel och aluminiumoxider följt av de halvledarberikade SWNTs. De resulterande SWNT tunnfilmstransistor bakplanen användes för att skapa e-skin för rumstryckskartläggning. E-skinet bestod av en uppsättning av 96 sensorpixlar, mäter 24 kvadratcentimeter i area, med varje pixel som aktivt styrs av en enda tunnfilmstransistor. För att demonstrera tryckkartläggning, en L-formad vikt placerades ovanpå e-skin sensor arrayen med det normala trycket på cirka 15 kilo Pascal (313 pund per kvadratfot).
"I den linjära operationsregimen, den uppmätta sensorkänsligheten återspeglade en trefaldig förbättring jämfört med tidigare nanotrådbaserade e-skin-sensorer som rapporterades förra året av vår grupp, " Takahashi säger. "Denna förbättrade känslighet var ett resultat av den förbättrade enhetens prestanda hos SWNT-bakplanen. I framtiden bör vi kunna utöka vår backplane -teknik genom att lägga till olika sensorer och/eller andra aktiva enhetskomponenter för att möjliggöra multifunktionella konstgjorda skinn. Dessutom, SWNT -bakplanet kan användas för flexibla skärmar. "
