(PhysOrg.com) -- L'imprinting di circuiti elettronici su backplane che siano sia flessibili che estensibili promette di rivoluzionare un certo numero di settori e rendere i "dispositivi intelligenti" quasi onnipresenti. Tra le applicazioni che sono state previste ci sono i blocchi elettronici che potrebbero essere ripiegati come carta, rivestimenti che potrebbero monitorare le superfici per crepe e altri cedimenti strutturali, bende mediche che potrebbero trattare infezioni e imballaggi alimentari che potrebbero rilevare il deterioramento. Dalle celle solari ai pacemaker all'abbigliamento, l'elenco delle applicazioni intelligenti per la cosiddetta "elettronica di plastica" è flessibile ed estensibile. Primo, però, i backplane adeguati devono essere prodotti in serie in modo economico.

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE hanno sviluppato una nuova tecnica promettente e poco costosa per fabbricare backplane flessibili ed estensibili su larga scala utilizzando soluzioni di nanotubi di carbonio arricchite con semiconduttori che producono reti di transistor a film sottile con eccellenti proprietà elettriche, inclusa una mobilità dei portatori di carica che è notevolmente superiore a quella delle controparti organiche. Per dimostrare l'utilità dei loro backplane di nanotubi di carbonio, i ricercatori hanno costruito una pelle elettronica artificiale (e-skin) in grado di rilevare e rispondere al tatto.

"Con la nostra tecnologia di elaborazione basata su soluzioni, abbiamo prodotto backplane a matrice attiva meccanicamente flessibili ed estensibili, basato su array completamente passivati ​​e altamente uniformi di transistor a film sottile realizzati con nanotubi di carbonio a parete singola che coprono uniformemente aree di circa 56 centimetri quadrati, "dice Ali Javey, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California (UC) Berkeley. "Questa tecnologia, in combinazione con la stampa a getto d'inchiostro di contatti metallici, dovrebbe fornire in futuro la fabbricazione senza litografia di elettronica flessibile ed estensibile a basso costo."

Javey è l'autore corrispondente di un articolo sulla rivista Nano lettere che descrive questo lavoro intitolato "Backplane a matrice attiva di nanotubi di carbonio per elettronica e sensori conformi". Co-autore di questo documento sono stati Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies e Ronald Fearing.

Con la domanda di elettronica in plastica così alta, la ricerca e lo sviluppo in questo settore sono stati intensi negli ultimi dieci anni. I nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) sono emersi come uno dei migliori materiali semiconduttori contendenti per l'elettronica di plastica, principalmente perché presentano un'elevata mobilità per gli elettroni, una misura della velocità con cui un semiconduttore conduce l'elettricità. Però, Gli SWNT possono assumere la forma di un semiconduttore o di un metallo e una tipica soluzione SWNT è costituita da tubi semiconduttori per due terzi e tubi metallici per un terzo. Questo mix produce reti di nanotubi che mostrano bassi rapporti di corrente on/off, che pone un grave problema per le applicazioni elettroniche, come spiega l'autore principale del documento NanoLetters Takahashi.

"Un rapporto di corrente on/off il più alto possibile è essenziale per ridurre l'interruzione dei pixel in uno stato off, "dice. "Per esempio, con il nostro dispositivo e-skin, quando stiamo mappando la pressione, vogliamo ottenere il segnale solo dal pixel on-state su cui viene applicata la pressione. In altre parole, vogliamo ridurre al minimo la corrente il più piccola possibile dagli altri pixel che dovrebbero essere spenti. Per questo abbiamo bisogno di un elevato rapporto di corrente on/off."

Per creare i loro backplane, Javey, Takahashi e i loro coautori hanno utilizzato una soluzione SWNT arricchita con tubi a semiconduttore al 99%. Questa soluzione altamente purificata ha fornito ai ricercatori un elevato rapporto on/off (circa 100) per i loro backplane. Lavorando con un sottile substrato di poliammide, un

polimero ad alta resistenza con flessibilità superiore, hanno tagliato al laser un modello a nido d'ape di fori esagonali che ha reso anche il substrato estensibile. I fori sono stati tagliati con un passo fisso di 3,3 millimetri e una lunghezza del lato del foro variabile che variava da 1,0 a 1,85 millimetri.

"Il grado di allungamento del substrato è aumentato dallo 0 al 60 percento quando la lunghezza laterale dei fori esagonali è aumentata a 1,85 mm, " dice Takahashi. "In futuro, i gradi di elasticità e direzionalità dovrebbero essere regolabili modificando la dimensione del foro o ottimizzando il design della mesh."

I backplane sono stati completati con la deposizione sui substrati di strati di silicio e ossidi di alluminio seguiti dagli SWNT arricchiti con semiconduttori. I risultanti backplane di transistor a film sottile SWNT sono stati utilizzati per creare e-skin per la mappatura della pressione spaziale. L'e-skin consisteva in una serie di 96 pixel del sensore, misurando 24 centimetri quadrati di area, con ogni pixel attivamente controllato da un singolo transistor a film sottile. Per dimostrare la mappatura della pressione, un peso a forma di L è stato posizionato sopra l'array di sensori e-skin con la normale pressione di circa 15 chilogrammi Pascal (313 libbre per piede quadrato).

"Nel regime di funzionamento lineare, la sensibilità del sensore misurata riflette un triplice miglioramento rispetto ai precedenti sensori e-skin basati su nanofili riportati lo scorso anno dal nostro gruppo, " Takahashi afferma. "Questa maggiore sensibilità è stata il risultato delle migliori prestazioni del dispositivo dei backplane SWNT. In futuro dovremmo essere in grado di espandere la nostra tecnologia del backplane aggiungendo vari sensori e/o altri componenti del dispositivo attivo per consentire skin artificiali multifunzionali. Inoltre, il backplane SWNT potrebbe essere utilizzato per display flessibili."