211service.com
Högpresterande flexibel silikon
Samma högkvalitativa form av kisel som används inuti många nya datorer skulle snart kunna rullas ihop på ett plastark. Forskare från University of Wisconsin, Madison, har visat att den typ av höghastighetskisel som använts under de senaste åren i Intels mikroprocessorer, kallad ansträngd kisel, kan göras tillräckligt tunn för att överföras till ett flexibelt substrat.
Möjligheten att sätta ark av ansträngda kiseltransistorer på formbara material kan leda till högkvalitativa flexibla displayer och solceller - eller så småningom till förbättrade proteser eller datoriserade kläder, enligt forskarna.
För det mesta är flexibel elektronik gjord av organiska polymerer, som, även om de är böjbara, ger relativt dålig prestanda. Så forskare har gett kisel – standardmaterialet inom elektronik – ett andra utseende som ett sätt att göra böjliga kretsar (se Stretchable Silicon).
Även om kisel vanligtvis är sprött, kan det böjas när det är tillräckligt tunt. I synnerhet satte forskarna i Wisconsin för att göra flexibla former av ansträngt kisel, en typ av högpresterande kisel som nyligen kommersialiserats av Intel. Elektroner rör sig genom ansträngt kisel 80 procent snabbare än i konventionellt kisel, och transistorer slås på och av upp till cirka 30 procent snabbare.
Hittills har emellertid ansträngt kisel varit alldeles för skrymmande – mikrometer tjockt – för att böjas. Wisconsinforskarna, ledda av Max Lagally , professor i materialvetenskap, hittade ett sätt att tunna ut materialet till ett par hundra nanometer, samt att effektivt ta bort det från en kiselwafer, vilket tillåter användning i flexibel och höghastighetselektronik. (Deras arbete beskrivs i ett färskt nummer av Journal of Applied Physics .)
Spänd kisel tillverkas vanligtvis med flera lager av ett material som kallas kiselgermanium, som har större utrymmen mellan sina atomer än kisel. Varje lager av kiselgermanium förändras kemiskt för att gradvis införa mer utrymme mellan atomerna. Slutligen läggs ett tunt lager kisel på toppen. När kiselatomerna (naturligt placerade närmare varandra än kiselgermaniumatomerna) kommer i kontakt med det översta lagret av kiselgermanium, anstränger de sig för att binda till det. Om du anstränger kiselgittret kan du förbättra elektronrörligheten och prestanda i din enhet, säger John Rogers , professor i materialvetenskap vid University of Illinois, Urbana.
Men genom att använda flera lager av kiselgermanium blir enheten för tjock för att böjas. För att göra det ansträngda kislet tillräckligt tunt för att böjas, börjar Lagally och hans team först med en kiselwafer med två ytterligare skikt ovanpå: ett kiseloxidskikt och ett tunt skikt av kisel. Ovanpå det tunna lagret av kisel applicerar de bara ett lager av kiselgermanium, bara 150 nanometer tjockt. Eftersom kiselskiktet under kiselgermaniumet är fixerat, kläms kiselgermaniumatomerna, medan de är bredare än kisel, ihop och komprimeras för att anpassa sig till kiselskiktet under det. Sedan lägger forskarna ett tunt lager kisel ovanpå kiselgermaniumet och bildar en smörgås 250 nanometer tjock.
Vid det här laget, förklarar Lagally, finns det ingen påfrestning i kislet; det finns bara kompression i kiselgermanium. För att öka påfrestningen avlägsnas smörgåsen från kiselskivan genom att bada den i fluorvätesyra, som äter upp kiseloxiden – lagret som förbinder smörgåsen med skivan. När enheten är fri, justeras avståndet mellan atomerna i alla lager något: kiselgermaniumatomerna, som tidigare komprimerats, lossnar och kiselatomerna, som hade normalt avstånd tidigare, utvecklade spänningar.
Att ta bort enheten från wafern ökar inte bara spänningen på kislet, utan gör det också möjligt att överföra det till ett annat material, säger Lagally. Härifrån pressas enheten till ett flexibelt material, som den fäster vid med hjälp av speciallim.
Sigurd Wagner , professor i elektroteknik vid Princeton University, säger att arbetet är ett väl genomfört exempel på att överföra högkvalitativa enheter till ett lågkvalitativt substrat. Viktigt, säger han, bevisar det att ansträngt kisel behåller sina egenskaper efter överföringsprocessen, något som inte hade visats tidigare. Dessutom, säger Rogers, kan processen tillämpas på de flesta oorganiska material, från ansträngt kisel som används i mikroprocessorer till galliumarsenidtransistorer i lysdioder.
Lagally förväntar sig att den här typen av flexibelt, höghastighets-kisel kommer att hitta vägen till kommersiella produkter inom några år, troligen initialt i flexibla bildsystem och högkvalitativa displayer.