Puede ser posible obtener componentes electrónicos integrados completamente extensibles

UNIVERSITY PARK, Pensilvania — Existe una barrera que impide el surgimiento de sistemas electrónicos verdaderamente flexibles, del tipo necesario para interfaces hombre-máquina avanzadas, cuero sintético, atención médica inteligente y más, pero un equipo de investigación dirigido por Penn State puede haber encontrado una forma de evitarlo.

Según el investigador principal Cunjiang Yu, quien se desempeña como profesor adjunto de Desarrollo de Carrera Dorothy Kuegel de Ciencias de la Ingeniería, Mecánica e Ingeniería Biomédica en Penn State, los sistemas electrónicos completamente flexibles requieren flexibilidad y la capacidad de estirarse en cada componente. Los investigadores han logrado esta propiedad en la mayoría de los componentes, con la excepción de un tipo de semiconductor que se sabe que es frágil. Ahora, Yu y su equipo internacional han desarrollado un enfoque para compensar los semiconductores débiles y quebradizos para acercar el campo a los sistemas totalmente flexibles.

Han publicado su trabajo en Electrónica de la naturaleza.

“Tal tecnología requiere un semiconductor flexible y elástico, que es el material básico necesario para habilitar los circuitos integrados que son esenciales para la tecnología que habilita nuestras computadoras, teléfonos y mucho más, pero estos semiconductores son esencialmente de tipo p”, dijo Yu, refiriéndose a un material que conduce la electricidad principalmente a través de orificios móviles cargados positivamente. «Sin embargo, la electrónica integrada complementaria, la optoelectrónica, los dispositivos conductores p-n y muchos más, también requieren semiconductores de tipo n».

Los semiconductores de tipo N conducen la electricidad principalmente a través de electrones negativos que transportan carga y, en combinación con los semiconductores de tipo p, pueden actuar como un interruptor, con corriente que fluye en una dirección. A menudo son rígidos y se necesitan ciertas estrategias para hacerlos más extensibles mecánicamente para lograr transistores y circuitos completamente extensibles con semiconductores de tipo n, según Yu.

Para abordar este problema, los investigadores colocaron semiconductores de tipo n entre dos materiales gomosos conocidos como elastómeros, que son polímeros que pueden estirarse y volver a su forma original.

«Descubrimos que la estructura de la pila mejora la capacidad de estiramiento mecánica e inhibe la formación y propagación de microfisuras en el semiconductor de tipo n intrínsecamente frágil», dijo Yu, explicando que las microfisuras son pequeños defectos estructurales que aparecen cuando se estira un semiconductor de tipo n. Pueden degradar el rendimiento eléctrico y provocar fallas mecánicas.

Yu dijo que el equipo sometió la pila a una serie de pruebas de estrés y estabilidad, todas las cuales pasaron con gran éxito. También usaron la pila para fabricar transistores estirables y sistemas electrónicos integrados.

«Los transistores flexibles mantuvieron el alto rendimiento del dispositivo incluso cuando se estiraron un 50% en cualquier dirección», dijo Yu. «Los dispositivos también mostraron un funcionamiento estable a largo plazo de más de 100 días en un entorno ambiental».

La estabilidad en el entorno circundante es particularmente beneficiosa, según Yu, porque los semiconductores de tipo n pueden perder su eficiencia cuando se exponen al oxígeno y la humedad. Intercalados entre plásticos, los semiconductores están efectivamente encapsulados contra los elementos.

Después de eso, dijo Yu, el equipo seguirá trabajando para mejorar el rendimiento de los materiales apilados y optimizar la formación de capas para reducir la densidad de las microfisuras.

«Ahora tenemos semiconductores de caucho tipo n y pronto tendremos circuitos integrados de caucho tipo n», dijo Yu. «¿No es emocionante?»

Yu también está afiliado al Instituto de Investigación de Materiales de Pensilvania y al Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Geociencias y Minerales. La investigación fue coautora de los estudiantes graduados del Departamento de Ciencias de Ingeniería y Mecánica de Penn State, Shubham Patel y Seonmin Jang, y el ex investigador postdoctoral Hyunseok Shim, actualmente afiliado a la Universidad Nacional de Pusan ​​​​en Corea, junto con los ex estudiantes de UH Kyosung Sim y Yongkao Chang. Pengao Wang, Universidad del Sudeste de China; y turbina c. Marks y Antonio Facchetti, Universidad de Northwestern. Sim ahora está afiliado al Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan en Corea. Facchetti también está afiliado a Flexterra Inc.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Centro de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Northwestern.