Ingenjörer skulle älska att skapa flexibla elektroniska enheter, till exempel e-läsare som kan vikas ihop för att passa i en ficka. Ett tillvägagångssätt de försöker involvera att designa kretsar baserade på elektroniska fibrer, kända som kolnanorör (CNTs), istället för styva kiselchips.

Men tillförlitlighet är viktigt. De flesta kiselchips är baserade på en typ av kretsdesign som gör att de kan fungera felfritt även när enheten upplever effektfluktuationer. Dock, det är mycket mer utmanande att göra det med CNT -kretsar.

Nu har ett team på Stanford utvecklat en process för att skapa flexibla chips som tål effektfluktuationer på ungefär samma sätt som kiselkretsar.

"Detta är första gången någon har designat en flexibel CNT-krets som har både hög immunitet mot elektriskt brus och låg strömförbrukning, sade Zhenan Bao, en professor i kemiteknik vid Stanford med en artighetsutnämning i kemi och materialvetenskap och teknik.

Gruppen rapporterade sina resultat i Proceedings of the National Academy of Sciences . Huiliang (Evan) Wang, en doktorand i Baos labb, och Peng Wei, en tidigare postdoc i Baos labb, var huvudförfattarna till tidningen. Baos team inkluderade också Yi Cui, en docent i materialvetenskap vid Stanford, och Hye Ryoung Lee, en doktorand i sitt labb.

I princip, CNT:er bör vara idealiska för att göra flexibla elektroniska kretsar. Dessa ultratunna kolfilament har den fysiska styrkan att tåla slitaget av böjning, och den elektriska ledningsförmågan för att utföra alla elektroniska uppgifter.

Men fram till detta senaste arbete från Stanford-teamet, flexibla CNT-kretsar hade inte tillförlitligheten och energieffektiviteten som styva kiselchips.

Här är anledningen. Över tid, ingenjörer har upptäckt att elektricitet kan färdas genom halvledare på två olika sätt. Den kan hoppa från positivt hål till positivt hål, eller så kan den trycka igenom ett gäng negativ elektronisk som ett pärlhalsband. Den första typen av halvledare kallas P-typ, den andra heter och N-typ.

Viktigast, ingenjörer upptäckte att kretsar baserade på en kombination av P-typ och N-typ transistorer fungerar tillförlitligt även när effektfluktuationer uppstår, och de förbrukar också mycket mindre ström. Denna typ av krets med både P-typ och N-typ transistorer kallas komplementär krets. Under de senaste 50 åren har ingenjörer blivit skickliga på att skapa denna idealiska blandning av ledande banor genom att ändra kiselets atomära struktur genom tillsats av små mängder användbara ämnen – en process som kallas "dopning" som är begreppsmässigt besläktad med vad våra förfäder gjorde tusentals för år sedan när de rörde om tenn till smält koppar för att skapa brons.

Utmaningen som Stanford-teamet stod inför var att CNTs huvudsakligen är halvledare av P-typ och det fanns inget enkelt sätt att dopa dessa kolfilament för att lägga till N-typ egenskaper.

PNAS-tidningen förklarar hur Stanfords ingenjörer övervann denna utmaning. De behandlade CNT med ett kemiskt dopmedel som de utvecklade känt som DMBI, och de använde en bläckstråleskrivare för att deponera detta ämne på exakta platser på kretsen.

Detta markerade första gången någon flexibel CNT-krets har dopats för att skapa en P-N-blandning som kan fungera tillförlitligt trots strömfluktuationer och med låg strömförbrukning.

Stanford-processen har också en viss potentiell tillämpning på stela CNT. Även om andra ingenjörer tidigare har dopat stela CNT för att skapa denna immunitet mot elektrisk buller, den exakta och finstämda Stanford -processen utför dessa tidigare ansträngningar, vilket tyder på att det kan vara användbart för både flexibla och stela CNT-kretsar.

Bao har fokuserat sin forskning på flexibla CNT, som konkurrerar med andra experimentella material, såsom specialformulerade plaster, att bli grunden för böjbar elektronik, precis som kisel har varit grunden för stel elektronik.

Som ett relativt nytt material, CNT spelar ikapp plast, som är närmare massmarknadsanvändning för sådant som böjbara bildskärmar. Stanford-dopningsprocessen flyttar flexibla CNTs närmare kommersialisering eftersom den visar hur man skapar P-N-blandningen, och de resulterande förbättringarna av tillförlitlighet och strömförbrukning, finns redan i plastkretsar.

Även om mycket arbete ligger framför för att göra CNTs kommersiella, Bao tror att dessa kolfilament är framtiden för flexibel elektronik, eftersom de är starka nog att böjas och sträckas, samtidigt som de kan leverera snabbare prestanda än plastkretsar.

"CNT erbjuder de bästa långsiktiga elektroniska och fysiska egenskaperna, " sa Bao.