Stanford Bao Zhenan ekibinin son atılımı, "yeni bir elektronik dünya" geliyor
Malzeme bilimi ve elektronik alanlarında sıcak bir konu olarak, esnek elektronik araştırmaları her zaman büyük ilgi görmüştür. Şu anda, organik polimerlere dayalı olarak, esnek ve gerilebilir elektronik malzemelerin araştırma ve geliştirilmesinde belirli atılımlar yapılmıştır. Polimer malzemeler için uygun elektronik üretim süreçlerinin olmayışı ile sınırlıdır, Esnek elektronik malzemelerden yapılmış fonksiyonel elektronik cihazlar hiçbir zaman gerçekleştirilmedi, Sonuç olarak, bu alanın gelişimi malzeme bilimi araştırma ve geliştirmeden gerçek elektronik araştırma ve geliştirmeye doğru ilerleyemez.
Stanford Üniversitesi'nde bir malzeme bilimcisi olan Zhenan Bao, son 20 yıldır, dokunuşunu kaybetmiş olanların bazı duygularını geri kazanmalarına yardımcı olmak için, taklit cilt özelliklerine sahip elektronik cihazlar hazırlamak için hem esneklik hem de elektronik özelliklere sahip malzemeleri keşfetmeye kararlı.
Şekil Deri benzeri malzemelerden yapılan ürünler, elin karmaşık eğrisine uygundur. (Kaynak: Stanford Üniversitesi)
Son zamanlarda, yönettiği ekip, esnek elektronikte çığır açan bir ilerleme kaydetti. İlk defa, oldukça gerilebilir bir transistör dizisi ve elektronik aritmetik devre gerçekleştirildi ve esnek elektronik fonksiyonel cihazların gerçekleştirilmesine yönelik büyük bir adım atıldı. , Araştırma sonuçları "Nature" dergisinde yayınlandı.
Şekil Amerikan Mühendislik Akademisi Akademisyeni, Stanford Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Zhenan Bao ve Stanford Bio-X Araştırma Enstitüsü, Stanford Precott Enerji Araştırma Enstitüsü, Stanford Nörobilim Enstitüsü ve Stanford Woods Çevre Araştırma Enstitüsü üyesi. Stanford giyilebilir elektronik projesi "eWEAR" ı yönetin
Ekibin bu son başarısında büyük bir uygulama atılımı, Gerilebilir bir polimer elektronik malzeme devresi oluşturdular, Bu devre, bir transistör dizisine dayanan aktif bir matrisi ve uğur böceklerinin ince ayak izlerini algılayabilen ve aynı zamanda "yapay deriyi" işlevsel olarak gerçek insan derisine daha yakın hale getiren bir dokunmatik sensörle bütünleştirir.
Bu başarının ilk yazarı ve Profesör Bao Zhenanın ekibinin doktora sonrası araştırmacısı Wang Sihong ve ilk yazar Dr. Xu Jie DT Jun'a şunları söyledi: "İnsan derisinin dokunsal işlevinin önemli bir özelliği, yüksek yoğunluklu doğal mekanoreseptörün (mekanoreseptör) cilde hassas, yüksek çözünürlüklü çok noktalı bir algılama işlevi vermesidir. Gerilebilir bir aktif matris (aktif matris) gerçekleştirerek, ) Bir arka plan devresi olarak, gerilebilir dokunsal sensörlerin yüksek yoğunluklu entegrasyonunun en önemli teknik engelini aştık, Bu, "yapay cildi" dokunsal işlev açısından gerçek cilde çok daha yakın hale getirir, Nesnenin pozisyonundaki değişikliği, yüzeyin pürüzlülüğünü vb. Hissedebilirsiniz. "
Resim Wang Sihong, Xu Jie
Bao Zhenan'ın ekibi "yapay deriyi" daha akıllı hale getirmenin yanı sıra başka bir pratik etki elde etti: Yumuşak ve gerilebilir özellikler verin , Mekanik formda gerçek cilde yaklaştırmak.
Ekip tarafından geliştirilen gerilebilir elektronik cihazlar (transistörler ve devreler) orijinal boyutuna genişletilebilir. 2 Ve çatlak, delaminasyon veya kırışıklık olmadan elektrik iletkenliğini ve hesaplama gücünü korurken orijinal şekli geri yükleyin. Hayatı test etmek için araştırma ekibi örneği uzattı 1000 Çoğu zaman, numuneler ciddi hasara ve hassas kayıplara neden olmadı.
Wang Sihong ve Xu Jie, Bay DT'ye, gelecekte ilgili teknolojilerin en önemli uygulama yönlerinden birinin " Beyin-bilgisayar arayüzü ":" Beyin tarafından üretilen nöroelektrik sinyal çok zayıf bir genliğe sahiptir. Bu nedenle, beynin sinir sinyalinin ölçüm arayüzünü oluşturmak için sinyal yükseltme işlevine sahip aktif cihazların (transistörler) kullanılması, sinyal edinmenin sinyal-gürültü oranını iyileştirmek ve böylece sinir bilgisini geliştirmek için yararlıdır. Okuma yeteneği çok önemlidir. Öte yandan, beyin son derece yumuşak ve hassastır.Bu nedenle, uzun vadeli ve kararlı bir beyin-bilgisayar arayüzünün, bir bağışıklık tepkisini tetiklememesi için beyne uyan mekanik özelliklere sahip olması gerekir. Teknolojimiz bu iki yönü ilk kez birleştiriyor, bu nedenle gelecekte daha ideal bir beyin-bilgisayar arayüz teknolojisine dönüşmesi bekleniyor. "
Şekil İnsan bileğinin içine 6.300 transistörlü geniş bir gerilebilir dizi eklenmiştir. Alan yaklaşık 4,4 × 4,4 cm²'dir
Ancak, daha uzak olan "beyin-bilgisayar arayüzü" ile karşılaştırıldığında, Büyük ölçekte ölçeklenebilir elektronik malzemeler hazırlayabilen geliştirdikleri yöntem, muhtemelen esnek elektronik ürünlerin ticarileştirilmesinde önemli bir adım olacaktır. , Esnek elektronik ürünlerin popülerleştirme ilerleme çubuğunu hızlandırın ve gerilebilir yüksek çözünürlüklü ekranların ve diğer sensör dizisi türlerinin geliştirilmesi için daha fazla olanak sağlayın ve sonuçta giyilebilir elektronik endüstrisinde devrim niteliğinde değişiklikler sağlayın.
Daha kolay seri üretim için üretim süreci
Aslında, bazı katlanabilir elektronik cihazlar piyasada ortaya çıktı, ancak esnetilebilecek neredeyse hiç elektronik cihaz yok. Ek olarak, önceki esnek elektronik teknolojiler geleneksel inorganik elektronik malzemelere (silikon vb.) Dayanmaktadır. Gerilebilir bir etki elde etmek için elektronik cihazların yoğunluğunu feda etmek genellikle gereklidir. Sadece sınırlamalar değil, aynı zamanda üretim süreci karmaşıktır ve verim çok düşüktür.
Gerilebilir elektronik cihazların üretimi, gerilebilir malzemeler, özellikle gerilebilir yarı iletkenler ve iletkenler gerektirir ve büyük gerilimler altında (deformasyon altında) kararlı iletkenliğe sahiptir. Polimer elektronik malzemelerin hem yüksek elektriksel özellikler hem de gerilebilirlik elde etmek için kullanılabilecek en umut verici malzemeler olduğu kanıtlanmıştır. Zhenan Bao'nun ekibi ayrıca gerilebilirlik elde etmek için bir matris (yani ana agrega) olarak gerilebilir bir malzeme, bir polimer elektronik malzeme kullandı.
Şekil Transistör dizisi ve transistör dizisinin mikroskop altında büyütülmüş görünümü
Zhenan Bao, üretim sürecinin birkaç yeni polimer elektronik malzeme katmanı içerdiğini söyledi.Bunlardan bazıları gerilebilir iletken malzemeler, bazıları yarı iletken özellikler sağlayan gerilebilir polimer malzemeler ve bazıları da cihazlarda gerilebilir yalıtkan malzeme olarak kullanıldı. .
Ancak malzemeler yalnızca ilk adımdır ve aynı zamanda, esnek özelliklere sahip elektronik devreleri gerçekleştirmek için bu malzemeleri başarılı bir şekilde transistör dizilerine entegre etmek için ilgili üretim teknolojisine ihtiyacımız var.
Profesör Zhenan Bao'nun dediği gibi: "Yapay deri ve esnek elektronik cihazlarla ilgili araştırmalar uzun bir yol kat etti, ancak kimse geri çekilebilir devreler yapmak için güvenilir bir yöntem bilmiyor."
Elektronik bileşenlerin üretim süreci, Yüksek verim, performans kararlılığı, katmanlar arasında iyi malzeme uyumluluğu ve iyi elektriksel ve mekanik özellikler .
Wang Sihong ve Xu Jie ayrıca Bay DT'ye geliştirdikleri ölçeklenebilir ve esnek transistör dizisinin üretim yöntemindeki en önemli zorlukların iki yönlü olduğunu açıkladı: Birincisi, gerilebilir polimer elektronik malzemeler için, işlenebilirlik (Film büyümesi ve diziliş dahil) genellikle organik çözücüler içinde çözülerek elde edilir, ancak aynı zamanda işlenmiş polimer filmler çoğu organik çözücü tarafından genellikle kolayca zarar görür. bu nedenle Çözümlere dayalı tüm çözümleri gerektiren çok katmanlı yüksek yoğunluklu dizi cihazların üretimi için, tüm fonksiyonel malzemelerin performansını etkilemeden her katman malzemesinin işleme teknolojisinin birbiriyle uyumlu hale getirilmesi en büyük zorluktur.
Şekil Üretim süreci
İkincisi, gerilebilir elektronik malzemeler artık hızlı bir gelişim sürecinden geçiyor.Bu nedenle, bu üretim süreci malzeme evrenselliği için en iyisidir ve gelecekte geliştirilen daha yüksek performanslı malzemeler doğrudan elektronik cihazlarda ve devrelerde kullanılabilir. Performans artıyor.
Ekip tarafından üretilen gerilebilir transistör dizisine özgü, tüm üretim süreci aktif bileşenler kullanır Katman katman Bu, genellikle fiziksel yapışma soyulması yoluyla transfer işleminin neden olduğu düşük verimi ve zayıf performans stabilitesini önler.
Alt tabakanın bu yeni malzemelerle iyi bir uyumluluğunu sağlamak için, silikon gofreti suda çözünür bir kurban tabaka (dekstran) ile kapladılar, böylece cihaz nihayet gerilebilir alt tabaka üzerine salınabilir. Daha sonra, gerilebilir bir dielektrik desen biriktirilir ve substrat üzerinde fotolitografik olarak oluşturulur. Ardından, üst temas yapısını elde etmek için kaynak / boşaltma elektrotları için (birinci katman ile birbirine bağlanan) sürekli biriktirme ve fotolitografi modelleri kullanılır. Son olarak, tüm cihaz cihaz üzerine bastırılır ve cihazı sert alt tabakadan çıkarmak için suya batırılır.
Ancak başka bir sorun daha var: Genel olarak, substrat olarak polimer elektronik malzemeler kullanan gerilebilir elektronik malzemeler, standart litografi mikrofabrikasyon teknikleriyle uyumsuzdur, bu nedenle üretim teknolojisi çok zordur.
Geleneksel fotolitografi işlemleriyle genellikle uyumsuz olan gerilebilir polimer elektronik malzeme yarı iletkenlerini modellemek için, Araştırma ekibi iki strateji geliştirdi: Birincisi, bakır maske korumasının fedakar tabakası olarak florlanmış polimer elektronik malzeme kullanan bir dağlama işlemine dayanmaktadır ve çözücüsü cihazın diğer mevcut bileşenlerini çözmeyecektir. İnce film biriktirme ve desenleme süreçlerini ayırırken, bu yöntem genellikle çeşitli gerilebilir yarı iletken imalatına, elektrik özelliklerinden ödün vermeden uygulanabilir. İkinci strateji, yarı iletkenlerde iyi çözünürlüğe sahip polimer elektronik malzemeler için özellikle uygun olan büyük ölçekli imalat modelleme işlemi yöntemi için mürekkep püskürtmeli baskı kullanmaktır.
1000 döngüden sonra orijinal, istikrarlı performansın 2 katına kadar uzatıldı
Yukarıdaki üretim süreci sonunda gerçekleştirilebilir 4,4 × 4,4 cm² Birleşik 6300 Bir transistör. Şimdi, Bao Zhenanın ekibi gerilebilir bir transistör dizisi üretti. Transistör yoğunluğu, santimetre kare başına yaklaşık 347 transistördür ve% 100'e varan bir gerilebilirliğe sahiptir, yani, gerildikten sonra alan orijinalin iki katıdır.
Şekil "Yapay deri" nin temel yapı taşı olarak gerilebilir transistör dizisinin üç boyutlu görünümü
Transistör dizisinin tamamı temiz olmayan bir oda ortamında üretildi.Dielektrik katmanın sızması nedeniyle, 108 transistörden sadece 6 transistör başarısız oldu, toplam verim% 94.4, performans homojenliği yüksek ve anahtarlama özellikleri idealdi. Ek olarak, yaklaşık 10V'luk düşük çalışma voltajı, cihazın cilde uygulanmasını sağlar (genel olarak konuşursak, insan vücudu güvenlik voltajı değeri kuruyken 24V veya daha az, ıslak olduğunda 12V'dir).
Şekil 108 ölçeklenebilir transistör grubu parmaklarınızın ucunda
Böyle bir transistör dizisi yarı saydamdır, cilt kıvamına ve gerilebilirliğe sahiptir ve yük aktarım yönüne paralel ve dikey olarak orijinal boyutun iki katına gerilebilir ve çatlak, delaminasyon veya kırışıklık gözlenmez.
Bu, "yarı-tekbiçimli" bir mekanik yapı tasarımı ile elde edilir. Spesifik olarak, tüm büyük ince film cihazları esas olarak SEBS tabanlıdır (yani, dielektrik, substratın ve CONPHINE yarı iletkeninin% 70'i) ve ara yüzey kayması ve dikey gerilim (gerilim altında delaminasyonun ana nedeni) etkili bir şekilde bastırılır. Paralel ve dikey yönlerde gerilmiş transistörlerin elektriksel özellikleri, orijinalin iki katı gerildiğinde bile oldukça kararlıdır. Bu gerilebilir transistör dizisi, iki yönde defalarca orijinalin iki katına gerilir ve aynı zamanda 1000 kez çevrildiğinde benzeri görülmemiş mekanik sağlamlık gösterir.
Ek olarak, dizi son derece yüksek gerilebilirliğe sahiptir (orijinalin 6 katına kadar maksimum gerilebilirlik), Basınç, bükülme ve çift eksenli esneme altında bile çok kararlı elektriksel özellikler gösterir.
Şekil Bitmiş transistörün şematik diyagramı
Ve yapay cilt mümkün olmadan önce, Bao Zhenanın ekibi tarafından geliştirilen teknoloji, tıbbi uygulamalar için katlanabilir ve geri çekilebilir dokunmatik ekranlar, elektronik kumaşlar veya "cilt yamaları" üretebilir. .
Xu Jie, numunenin düzensiz şekilli yüzeylerde bile güçlü olduğunu söyledi. En umut verici olanı, hazırlık sürecinin diğer araştırmacılar tarafından hazırlanan diğer esnek elektronik materyallerin değerlendirilmesi için bir platform olabileceğidir.
Bununla birlikte, bu yeni malzemeler ve yeni süreçler sert silikon tabanlı devrelerle aynı işlevlere sahip olmadan önce hala yapılması gereken çok iş var. " İlk olarak, ekibimiz numunelerin elektronik hızını ve performansını iyileştirmelidir. Sanırım yeni bir elektronik dünyanın sınırındayız ", Bao Zhenan dedi.
Wang Sihong ve Xu Jie ayrıca, bu yeni elektronik dünyada, elektronik cihazların eşi görülmemiş bir şekle sahip olacağına, artık sadece sert bir blok olmayacağına, insan cildi veya dokusu kadar yumuşak ve elastik olabileceğine ve böylece insan vücuduyla benzeri görülmemiş bir şekilde etkileşime girebileceklerine inanıyorlar. Gerçekleştirilemeyen hatta hayal bile edilemeyen birçok işlevi gerçekleştirmek için yakından entegre, İnsan sağlığını ve yaşam kalitesini elektronik yollarla daha da iyileştirmek .
