Al centro di qualsiasi dispositivo elettronico c'è un raffreddore, chip del computer rigido, ricoperta da una città in miniatura di transistor e altri elementi semiconduttori. Poiché i chip dei computer sono rigidi, i dispositivi elettronici che alimentano, come i nostri smartphone, computer portatili, orologi, e televisori, sono ugualmente inflessibili.

Ora un processo sviluppato dagli ingegneri del MIT potrebbe essere la chiave per produrre elettronica flessibile con più funzionalità in modo conveniente.

Il processo è chiamato "epitassia remota" e comporta la crescita di film sottili di materiale semiconduttore su un grande, wafer spesso dello stesso materiale, che è ricoperto da uno strato intermedio di grafene. Una volta che i ricercatori coltivano un film semiconduttore, possono staccarlo dal wafer ricoperto di grafene e quindi riutilizzare il wafer, che di per sé può essere costoso a seconda del tipo di materiale di cui è fatto. In questo modo, il team può copiare e rimuovere qualsiasi numero di sottili, film semiconduttori flessibili, utilizzando lo stesso wafer sottostante.

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura , i ricercatori dimostrano di poter utilizzare l'epitassia remota per produrre film indipendenti di qualsiasi materiale funzionale. Ma ancora più importante, possono impilare film realizzati con questi diversi materiali, per produrre flessibile, dispositivi elettronici multifunzionali.

I ricercatori si aspettano che il processo possa essere utilizzato per produrre pellicole elettroniche elastiche per un'ampia varietà di usi, comprese le lenti a contatto abilitate alla realtà virtuale, pelli a energia solare che si adattano ai contorni della tua auto, tessuti elettronici che rispondono alle intemperie, e altri dispositivi elettronici flessibili che fino ad ora sembravano essere la roba dei film Marvel.

"Puoi usare questa tecnica per combinare e abbinare qualsiasi materiale semiconduttore per avere nuove funzionalità del dispositivo, in un chip flessibile, "dice Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Puoi fare elettronica in qualsiasi forma."

Acquistare tempo

Kim e i suoi colleghi hanno riportato i loro primi risultati utilizzando l'epitassia remota nel 2017. Quindi, erano in grado di produrre sottili, film flessibili di materiale semiconduttore ponendo prima uno strato di grafene su uno spesso, costoso wafer realizzato con una combinazione di metalli esotici. Hanno fatto scorrere gli atomi di ciascun metallo sul wafer ricoperto di grafene e hanno scoperto che gli atomi formavano un film sopra il grafene, nello stesso modello di cristallo del wafer sottostante. Il grafene ha fornito una superficie antiaderente da cui i ricercatori potevano staccare il nuovo film, lasciando il wafer ricoperto di grafene, che potrebbero riutilizzare.

Nel 2018, il team ha dimostrato di poter utilizzare l'epitassia remota per realizzare materiali semiconduttori dai metalli dei gruppi 3 e 5 della tavola periodica, ma non dal gruppo 4. La ragione, hanno trovato, ridotto alla polarità, o le rispettive cariche tra gli atomi che scorrono sul grafene e gli atomi nel wafer sottostante.

Da questa presa di coscienza, Kim ei suoi colleghi hanno provato una serie di combinazioni di semiconduttori sempre più esotiche. Come riportato in questo nuovo documento, il team ha utilizzato l'epitassia remota per realizzare film semiconduttori flessibili da ossidi complessi, composti chimici costituiti da ossigeno e almeno altri due elementi. Gli ossidi complessi sono noti per avere una vasta gamma di proprietà elettriche e magnetiche, e alcune combinazioni possono generare una corrente quando fisicamente allungate o esposte a un campo magnetico.

Kim afferma che la capacità di produrre film flessibili di ossidi complessi potrebbe aprire la porta a nuovi dispositivi per il risparmio energetico, come teli o rivestimenti che si allungano in risposta alle vibrazioni e producono di conseguenza elettricità. Fino ad ora, i materiali di ossido complesso sono stati prodotti solo su supporti rigidi, wafer di spessore millimetrico, con flessibilità limitata e quindi potenziale di generazione di energia limitato.

I ricercatori hanno dovuto modificare il loro processo per realizzare film di ossido complessi. Inizialmente hanno scoperto che quando hanno cercato di produrre un ossido complesso come il titanato di stronzio (un composto di stronzio, titanio, e tre atomi di ossigeno), gli atomi di ossigeno che scorrevano sul grafene tendevano a legarsi agli atomi di carbonio del grafene, asportando frammenti di grafene invece di seguire lo schema del wafer sottostante e legarlo con stronzio e titanio. Come soluzione sorprendentemente semplice, i ricercatori hanno aggiunto un secondo strato di grafene.

"Abbiamo visto che quando il primo strato di grafene viene inciso, si sono già formati composti di ossido, ossigeno così elementare, una volta formati questi composti desiderati, non interagisce così pesantemente con il grafene, "Spiega Kim. "Quindi due strati di grafene fanno guadagnare tempo alla formazione di questo composto".

Sbucciare e impilare

Il team ha utilizzato il nuovo processo ottimizzato per realizzare film da più materiali di ossido complessi, staccando ogni strato sottile di 100 nanometri man mano che veniva preparato. Sono stati anche in grado di impilare insieme strati di diversi materiali di ossido complessi e incollarli efficacemente insieme riscaldandoli leggermente, producendo un flessibile, dispositivo multifunzionale.

"Questa è la prima dimostrazione di impilare più membrane sottili nanometri come i blocchi LEGO, che è stato impossibile perché tutti i materiali elettronici funzionali esistono in una forma di wafer spessa, " dice Kim.

In un esperimento, il team ha impilato film di due diversi ossidi complessi:ferrite di cobalto, noto per espandersi in presenza di un campo magnetico, e PMN-PT, un materiale che genera tensione quando viene allungato. Quando i ricercatori hanno esposto il film multistrato a un campo magnetico, i due strati hanno lavorato insieme per espandersi e produrre una piccola corrente elettrica.

I risultati dimostrano che l'epitassia remota può essere utilizzata per realizzare elettronica flessibile da una combinazione di materiali con funzionalità diverse, che in precedenza erano difficili da combinare in un unico dispositivo. Nel caso di ferrite di cobalto e PMN-PT, ogni materiale ha un modello cristallino diverso. Kim dice che le tradizionali tecniche di epitassia, che coltivano materiali ad alte temperature su un wafer, possono combinare i materiali solo se i loro modelli cristallini corrispondono. Dice che con l'epitassia remota, i ricercatori possono realizzare un numero qualsiasi di film diversi, utilizzando diversi, wafer riutilizzabili, e poi impilarli insieme, indipendentemente dal loro modello cristallino.

"Il quadro generale di questo lavoro è, puoi combinare materiali totalmente diversi in un unico posto insieme, " Kim dice. "Ora puoi immaginare un sottile, dispositivo flessibile composto da strati che includono un sensore, sistema informatico, una batteria, una cella solare, così potresti avere un flessibile, autoalimentato, chip impilato dell'internet delle cose."

Il team sta esplorando varie combinazioni di film semiconduttori e sta lavorando allo sviluppo di prototipi di dispositivi, come qualcosa che Kim chiama "tatuaggio elettronico"—un flessibile, chip trasparente che può attaccarsi e conformarsi al corpo di una persona per rilevare e trasmettere in modalità wireless segni vitali come temperatura e polso.

"Ora possiamo rendere sottile, flessibile, elettronica indossabile con la massima funzionalità, " Kim dice. "Basta staccare e impilare."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.