Une électronique intégrée extensible peut être possible

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie – Il existe une barrière empêchant l’avènement de systèmes électroniques véritablement élastiques, le type nécessaire pour les interfaces homme-machine avancées, les peaux artificielles, les soins de santé intelligents et plus encore, mais une équipe de recherche dirigée par l’État de Penn a peut-être trouvé un moyen de s’étirer autour d’elle.

Selon le chercheur principal Cunjiang Yu, titulaire de la chaire Dorothy Quiggle Career Development Associate of Engineering Science and Mechanics and of Biomedical Engineering à Penn State, les systèmes électroniques entièrement élastiques nécessitent de la flexibilité et de l’extensibilité dans chaque composant. Les chercheurs ont obtenu cette caractéristique dans la plupart des composants, à l’exception d’un type de semi-conducteur qui est notoirement fragile. Maintenant, Yu et son équipe internationale ont développé une approche pour compenser le semi-conducteur fragile et cassable afin de rapprocher le domaine des systèmes entièrement flexibles.

Ils ont publié leur travail dans Électronique naturelle.

“Une telle technologie nécessite des semi-conducteurs élastiques extensibles, le matériau de base nécessaire pour activer les circuits intégrés qui sont essentiels à la technologie permettant à nos ordinateurs, téléphones et bien plus encore, mais ces semi-conducteurs sont principalement de type p”, a déclaré Yu, faisant référence à un matériau qui conduit l’électricité principalement à travers des trous mobiles chargés positivement. “Cependant, l’électronique intégrée complémentaire, l’optoélectronique, les dispositifs à jonction pn et bien d’autres nécessitent également un semi-conducteur de type n.”

Les semi-conducteurs de type N conduisent l’électricité principalement par le biais d’électrons négatifs portant la charge, et en combinaison avec des semi-conducteurs de type p, ils peuvent agir comme un interrupteur, le courant circulant dans une direction. Ils sont souvent rigides et certaines stratégies pour les rendre plus extensibles mécaniquement sont nécessaires pour obtenir des transistors et des circuits complètement extensibles avec des semi-conducteurs de type n, selon Yu.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont pris en sandwich le semi-conducteur de type n entre deux matériaux caoutchouteux appelés élastomères, qui sont des polymères qui peuvent s’étirer et reprendre leur forme d’origine.

“Nous avons constaté que l’architecture de la pile améliore l’extensibilité mécanique et supprime la formation et la propagation de microfissures dans le semi-conducteur de type n intrinsèquement fragile”, a déclaré Yu, expliquant que les microfissures sont de minuscules défauts de structure qui apparaissent lorsque le semi-conducteur de type n est étiré. Ils peuvent dégrader les performances électriques et entraîner des pannes mécaniques.

L’équipe a soumis la pile à un gant de tests de résistance et de stabilité, qu’elle a tous passés avec brio, a déclaré Yu. Ils ont également utilisé la pile pour fabriquer des transistors extensibles et des systèmes électroniques intégrés.

“Les transistors élastiques ont conservé des performances élevées même lorsqu’ils ont été étirés à 50 % dans les deux sens”, a déclaré Yu. “Les appareils ont également montré un fonctionnement stable à long terme pendant plus de 100 jours dans un environnement ambiant.”

La stabilité dans un environnement ambiant est particulièrement utile, selon Yu, car les semi-conducteurs de type n peuvent perdre de leur efficacité en cas d’exposition à l’oxygène et à l’humidité. Pris en sandwich entre des élastomères, le semi-conducteur est efficacement encapsulé contre les éléments.

Ensuite, a déclaré Yu, l’équipe continuera à travailler pour améliorer les performances des matériaux empilés et optimiser la configuration des couches afin de réduire davantage la densité des microfissures.

“Nous avons maintenant un semi-conducteur de type n extensible, et nous aurons bientôt des circuits intégrés caoutchouteux extensibles”, a déclaré Yu. « Ce n’est pas excitant ? »

Yu est également affilié à l’Institut de recherche sur les matériaux de Penn State et au Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux du Collège des sciences de la Terre et des minéraux. Shubham Patel et Seonmin Jang, étudiants diplômés du Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, et l’ancien chercheur postdoctoral Hyunseok Shim, désormais affilié à l’Université nationale de Pusan ​​en Corée, ont co-écrit l’article, avec les anciens étudiants de Yu à l’Université de Houston Kyoseung Sim et Yongcao Zhang ; Binghao Wang, Université du Sud-Est en Chine ; et Torbin J. Marks et Antonio Facchetti, Northwestern University. Sim est désormais affilié à l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan en Corée. Facchetti est également affilié à Flexterra Inc.

L’Office of Naval Research, la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research et le Materials Research Science and Engineering Center de l’Université Northwestern ont soutenu cette recherche.

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