Esiste una barriera che impedisce l’emergere di sistemi elettronici veramente flessibili, del tipo necessario per interfacce uomo-macchina avanzate, pelle sintetica, assistenza sanitaria intelligente e altro ancora, ma un team di ricerca guidato dalla Penn State potrebbe aver trovato un modo per aggirarlo.
Secondo il ricercatore principale Cunjiang Yu, Dorothy Kuegel Dorothy Kuegel professore aggiunto di scienze ingegneristiche, meccanica e ingegneria biomedica presso la Penn State, i sistemi elettronici completamente flessibili richiedono flessibilità e capacità di allungarsi in ogni componente. I ricercatori hanno raggiunto questa proprietà nella maggior parte dei componenti, ad eccezione di un tipo di semiconduttore noto per essere fragile. Ora, Yu e il suo team internazionale hanno sviluppato un approccio per compensare semiconduttori deboli e fragili per avvicinare il campo a sistemi completamente flessibili.
Hanno pubblicato il loro lavoro in L’elettronica della natura.
“Questa tecnologia richiede un semiconduttore flessibile ed estensibile, che è il materiale di base necessario per abilitare i circuiti integrati che sono essenziali per la tecnologia che abilita i nostri computer, telefoni e molto altro, ma questi semiconduttori sono essenzialmente di tipo p”, ha detto Yu, riferendosi a un materiale che conduce principalmente l’elettricità attraverso fori mobili caricati positivamente. “Tuttavia, l’elettronica integrata complementare, l’optoelettronica, i dispositivi di giunzione p-n e molti altri richiedono anche semiconduttori di tipo n”.
I semiconduttori di tipo N conducono principalmente l’elettricità attraverso elettroni negativi che trasportano carica e, in combinazione con i semiconduttori di tipo p, possono agire come un interruttore, con la corrente che scorre in una direzione. Sono spesso rigidi e sono necessarie alcune strategie per renderli più estensibili meccanicamente per ottenere transistor e circuiti completamente estensibili con semiconduttori di tipo n, secondo Yu.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno posizionato semiconduttori di tipo n tra due materiali gommosi noti come elastomeri, che sono polimeri che possono allungarsi e tornare alla loro forma originale.
“Abbiamo scoperto che la struttura dello stack migliora l’elasticità meccanica e inibisce la formazione e la propagazione di microfessure nel semiconduttore di tipo n intrinsecamente fragile”, ha affermato Yu, spiegando che le microfessure sono piccoli difetti strutturali che compaiono quando un semiconduttore di tipo n viene allungato. Possono degradare le prestazioni elettriche e portare a guasti meccanici.
Yu ha affermato che il team ha sottoposto lo stack a una serie di test di stress e stabilità, tutti superati a pieni voti. Hanno anche usato lo stack per fabbricare transistor estensibili e sistemi elettronici integrati.
“I transistor flessibili hanno mantenuto le elevate prestazioni del dispositivo anche quando sono stati allungati del 50% in entrambe le direzioni”, ha affermato Yu. “I dispositivi hanno anche mostrato un funzionamento stabile a lungo termine di oltre 100 giorni in un ambiente ambientale.”
La stabilità nell’ambiente circostante è particolarmente vantaggiosa, secondo Yu, perché i semiconduttori di tipo n possono perdere la loro efficienza se esposti a ossigeno e umidità. Stretti tra la plastica, i semiconduttori sono efficacemente incapsulati contro gli elementi.
Successivamente, ha affermato Yu, il team continuerà a lavorare per migliorare le prestazioni dei materiali impilati e ottimizzare la formazione dello strato per ridurre ulteriormente la densità delle microcricche.
“Ora abbiamo semiconduttori in gomma di tipo n, e presto avremo circuiti integrati in gomma di tipo n”, ha detto Yu. “Non è eccitante?”
Yu è anche affiliato con il Materials Research Institute of Pennsylvania e il Department of Materials Science and Engineering presso il College of Earth and Mineral Sciences. La ricerca è stata co-autrice degli studenti laureati del Penn State Department of Engineering Sciences and Mechanics Shubham Patel e Seonmin Jang, e dell’ex ricercatore post-dottorato Hyunseok Shim, attualmente affiliato alla Pusan National University in Corea, insieme agli ex studenti UH Kyosung Sim e Yongkao Chang. Pengao Wang, Università della Cina sudorientale; e turbina c. Marks e Antonio Facchetti, Northwestern University. Sim è ora affiliato con l’Ulsan National Institute of Science and Technology in Corea. Facchetti è anche affiliato con Flexterra Inc.
Questa ricerca è stata supportata dall’Office of Naval Research, dalla National Science Foundation, dall’Air Force Office of Scientific Research e dal Center for Materials Science and Engineering Research della Northwestern University.
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