Fig. 1:Illustrazione schematica delle fasi coinvolte nel processo di stampa diretta in rotolo con corrispondenti immagini ottiche e SEM. una fase di fabbricazione degli NR di Si eseguita sul substrato donatore con drogaggio selettivo n+ seguito dal rilascio degli NR dallo strato di ossido sepolto (Box) come mostrato nell'immagine in sezione trasversale SEM (barra della scala, 10μm). b Fasi di stampa transfer convenzionali utilizzando un timbro elastomerico (PDMS) con un'immagine ottica di ciascuna fase (barra della scala, 25μm). c Stampa diretta in rotolo di NR dal donatore al substrato PI semi-polimerizzato (barra della scala, 25µm). d Fasi di elaborazione di microfabbricazione convenzionale verso un dispositivo NRFET finale (cioè, deposizione dielettrica a temperatura ambiente, metallizzazione, ecc (barra della scala, 100μm)). Credito:DOI:10.1038/s41528-021-00116-w
Un nuovo metodo per la produzione di componenti elettronici che stampa silicio ad alte prestazioni direttamente su materiali flessibili potrebbe portare a scoperte tecnologiche tra cui protesi, elettronica di fascia alta e display digitali completamente pieghevoli.
In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista npj Elettronica flessibile , gli ingegneri del gruppo Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST) dell'Università di Glasgow illustrano come hanno semplificato e migliorato il processo convenzionale per la creazione di elettronica flessibile per grandi aree.
Fino ad ora, l'elettronica flessibile più avanzata è stata prodotta principalmente da un processo chiamato stampa transfer, un processo di timbratura in tre fasi un po' come ricevere un timbro a inchiostro su un passaporto quando si visita un altro paese.
Primo, una nanostruttura a semiconduttore a base di silicio è progettata e coltivata su una superficie nota come substrato. Nella seconda fase, la nanostruttura viene prelevata dal substrato da uno stampo polimerico morbido. Nella fase finale, la nanostruttura viene trasferita dallo stampo ad un altro substrato flessibile, pronto per l'uso in dispositivi pieghevoli come monitor sanitari, robotica morbida, e display pieghevoli.
Però, il processo di stampa transfer presenta una serie di limitazioni che hanno reso difficile creare su larga scala, dispositivi flessibili complessi. Controllo preciso di variabili critiche come la velocità di trasferimento, e l'adesione e l'orientamento della nanostruttura, rende difficile garantire che ogni timbro sia identico all'ultimo.
Simile a come un passaporto timbrato male può rendere difficile la lettura per i viaggiatori, un timbro polimerico incompleto o disallineato sul substrato finale può portare a prestazioni elettroniche scadenti o addirittura impedire il funzionamento dei dispositivi.
Mentre sono stati sviluppati processi per rendere più efficace il trasferimento di timbratura, spesso richiedono apparecchiature aggiuntive come laser e magneti, aggiungendo ulteriori costi di produzione.
Il team di Glasgow ha adottato un approccio diverso, eliminando del tutto la seconda fase del tradizionale processo di stampa transfer. Invece di trasferire le nanostrutture su uno stampo polimerico morbido prima che venga trasferito al substrato finale, il loro nuovo processo, quello che chiamano "trasferimento diretto a rullo", per stampare il silicone direttamente su una superficie flessibile.
Il processo inizia con la fabbricazione di una sottile nanostruttura di silicio di meno di 100 nanometri. Quindi il substrato ricevente, un flessibile, materiale plastico ad alte prestazioni chiamato poliimmide, è ricoperto da uno strato ultrasottile di sostanze chimiche per migliorare l'adesione.
Il substrato preparato viene avvolto attorno a un tubo metallico, e una macchina controllata da computer sviluppata dal team fa poi rotolare il tubo sul wafer di silicio, trasferendolo al materiale flessibile.
Ottimizzando attentamente il processo, il team è riuscito a creare stampe altamente uniformi su un'area di circa 10 centimetri quadrati, con una resa di trasferimento di circa il 95%, significativamente superiore rispetto alla maggior parte dei processi di stampa a trasferimento convenzionali su scala nanometrica.
Il professor Ravinder Dahiya è il leader del gruppo BEST presso la James Watt School of Engineering dell'Università di Glasgow.
Il professor Dahiya ha dichiarato:"Sebbene abbiamo utilizzato un campione di wafer di silicio quadrato di 3 cm su ciascun lato nel processo di cui discutiamo in questo documento, la dimensione del substrato donatore flessibile è l'unico limite alla dimensione dei wafer di silicio che possiamo stampare. È molto probabile che possiamo scalare il processo e creare un'elettronica flessibile ad alte prestazioni molto complessa, che apre le porte a molte potenziali applicazioni.
"Le prestazioni che abbiamo visto dai transistor che abbiamo stampato su superfici flessibili in laboratorio sono state simili alle prestazioni di dispositivi CMOS comparabili, i chip del cavallo di battaglia che controllano molti dispositivi elettronici di tutti i giorni.
"Ciò significa che questo tipo di elettronica flessibile potrebbe essere abbastanza sofisticato da integrare controller flessibili in array di LED, Per esempio, potenzialmente consentendo la creazione di display digitali autonomi che potrebbero essere arrotolati quando non in uso. Strati di materiale flessibile teso sugli arti protesici potrebbero fornire agli amputati un migliore controllo sulle loro protesi, o persino integrare sensori per dare agli utenti un senso di "tatto".
"È un processo più semplice in grado di produrre elettronica flessibile ad alte prestazioni con risultati buoni come, se non meglio, rispetto all'elettronica tradizionale a base di silicio. È anche potenzialmente più economico e più efficiente in termini di risorse, perché utilizza meno materiale, e meglio per l'ambiente, perché produce meno rifiuti sotto forma di cessioni inutilizzabili."
