211service.com
Elastyczny krzem o wysokiej wydajności
Ten sam wysokiej jakości krzem, który jest używany w wielu nowych komputerach, może wkrótce zostać zwinięty na arkuszu plastiku. Naukowcy z University of Wisconsin w Madison wykazali, że rodzaj szybkiego krzemu używanego od kilku lat w mikroprocesorach Intela, zwanego naprężonym krzemem, może być wystarczająco cienki, aby można go było przenieść na elastyczne podłoże.
Zdaniem naukowców możliwość umieszczania arkuszy naprężonych tranzystorów krzemowych na materiałach plastycznych może prowadzić do wysokiej jakości elastycznych wyświetlaczy i ogniw słonecznych – a ostatecznie nawet do ulepszonej protetyki lub skomputeryzowanej odzieży.
W większości elastyczne elementy elektroniczne są wykonane z polimerów organicznych, które choć podatne na zginanie, dają stosunkowo słabą wydajność. Dlatego badacze poddali krzemowi – standardowemu materiałowi w elektronice – drugie spojrzenie jako sposób na tworzenie giętkich obwodów (patrz Rozciągliwy krzem ).
Chociaż krzem jest zwykle kruchy, może się zginać, gdy jest wystarczająco cienki. W szczególności naukowcy z Wisconsin postanowili stworzyć elastyczne formy naprężonego krzemu, rodzaj wysokowydajnego krzemu, który niedawno został skomercjalizowany przez Intela. Elektrony poruszają się w naprężonym krzemie 80 procent szybciej niż w krzemie konwencjonalnym, a tranzystory włączają się i wyłączają do około 30 procent szybciej.
Do tej pory jednak naprężony krzem był zbyt nieporęczny – miał grubość mikrometrów – aby się zginać. Naukowcy z Wisconsin, kierowani przez Max Lagally , profesor materiałoznawstwa, znalazł sposób na rozcieńczenie materiału do kilkuset nanometrów, a także na skuteczne usunięcie go z wafla krzemowego, co pozwala na zastosowanie go w elastycznej i szybkiej elektronice. (Ich praca została opisana w niedawnym numerze Dziennik Fizyki Stosowanej .)
Naprężony krzem jest zwykle wytwarzany przy użyciu wielu warstw materiału zwanego krzemowo-germańskim, który ma większe przestrzenie między atomami niż krzem. Każda warstwa germanu krzemu jest chemicznie zmieniana, aby stopniowo wprowadzać więcej przestrzeni między atomami. Na koniec na wierzch nakładana jest cienka warstwa krzemu. Kiedy atomy krzemu (naturalnie rozmieszczone bliżej siebie niż atomy krzemu germanu) stykają się z górną warstwą germanu krzemu, naprężają się, aby się z nią związać. Jeśli obciążysz siatkę krzemową, możesz poprawić mobilność elektronów i wydajność w swoim urządzeniu, mówi John Rogers , profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Illinois w Urbana.
Jednak użycie wielu warstw germanu krzemowego sprawia, że urządzenie staje się zbyt grube, aby można je było zginać. Aby naprężony krzem był wystarczająco cienki, aby mógł się zginać, Lagally i jego zespół najpierw zaczęli od płytki krzemowej z dwiema dodatkowymi warstwami na wierzchu: warstwą tlenku krzemu i cienką warstwą krzemu. Na cienką warstwę krzemu nakładają tylko jedną warstwę germanu krzemowego o grubości zaledwie 150 nanometrów. Ponieważ warstwa krzemu pod krzemowo-germanem jest nieruchoma, atomy krzemu-germanu, mimo że są oddalone od siebie szerzej niż krzem, ściskają się razem, ściskając, dostosowując się do warstwy krzemu znajdującej się pod nią. Następnie naukowcy dodają cienką warstwę krzemu na wierzch krzemu germanu, tworząc kanapkę o grubości 250 nanometrów.
W tym momencie, wyjaśnia Lagally, w krzemie nie ma żadnego naprężenia; w germanie krzemowym występuje tylko kompresja. Aby zwiększyć napięcie, kanapkę usuwa się z wafla krzemowego poprzez kąpiel w kwasie fluorowodorowym, który niszczy tlenek krzemu – warstwę łączącą kanapkę z wafelkiem. Gdy urządzenie jest zwolnione, odstępy między atomami we wszystkich warstwach nieznacznie się dostosowują: atomy krzemu, germanu, wcześniej ściśnięte, rozluźniają się, a atomy krzemu, które wcześniej miały normalne odstępy, naprężają się.
Usunięcie urządzenia z wafla nie tylko obciąża krzem, ale także pozwala na przeniesienie go na inny materiał, mówi Lagally. Stąd urządzenie jest wciskane w elastyczny materiał, do którego przykleja się za pomocą specjalnego kleju.
Sigurd Wagner , profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Princeton, mówi, że praca jest dobrze wykonanym przykładem przeniesienia wysokiej jakości urządzeń na podłoże niskiej jakości. Co ważne, mówi, dowodzi to, że naprężony krzem zachowuje swoje właściwości po procesie transferu, czego wcześniej nie pokazano. Ponadto, mówi Rogers, proces ten może mieć zastosowanie do większości materiałów nieorganicznych, od naprężonego krzemu stosowanego w mikroprocesorach po tranzystory z arsenku galu w diodach elektroluminescencyjnych.
Lagally spodziewa się, że ten rodzaj elastycznego, szybkiego krzemu w ciągu kilku lat znajdzie się w produktach komercyjnych, najprawdopodobniej początkowo w elastycznych systemach obrazowania i wysokiej jakości wyświetlaczach.