En el corazón de cualquier dispositivo electrónico hay un resfriado, chip de computadora duro, cubierto en una ciudad en miniatura de transistores y otros elementos semiconductores. Debido a que los chips de computadora son rígidos, los dispositivos electrónicos que alimentan, como nuestros teléfonos inteligentes, laptops, relojes, y televisores, son igualmente inflexibles.

Ahora, un proceso desarrollado por ingenieros del MIT puede ser la clave para fabricar productos electrónicos flexibles con múltiples funcionalidades de manera rentable.

El proceso se llama "epitaxia remota" e implica el crecimiento de películas delgadas de material semiconductor en una gran superficie oblea gruesa del mismo material, que está cubierto por una capa intermedia de grafeno. Una vez que los investigadores cultivan una película semiconductora, pueden despegarlo de la oblea cubierta de grafeno y luego reutilizar la oblea, lo que en sí mismo puede ser costoso dependiendo del tipo de material del que esté hecho. De este modo, el equipo puede copiar y pelar cualquier cantidad de películas semiconductoras flexibles, utilizando la misma oblea subyacente.

En un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza , los investigadores demuestran que pueden utilizar la epitaxia remota para producir películas independientes de cualquier material funcional. Más importante, pueden apilar películas hechas de estos diferentes materiales, para producir flexible, dispositivos electrónicos multifuncionales.

Los investigadores esperan que el proceso se pueda utilizar para producir películas electrónicas elásticas para una amplia variedad de usos. incluyendo lentes de contacto habilitados para realidad virtual, pieles de energía solar que se amoldan a los contornos de su automóvil, tejidos electrónicos que responden al clima, y otros dispositivos electrónicos flexibles que hasta ahora parecían ser parte de las películas de Marvel.

"Puede utilizar esta técnica para mezclar y combinar cualquier material semiconductor para tener una nueva funcionalidad de dispositivo, en un chip flexible, "dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Puedes fabricar productos electrónicos en cualquier forma".

Ganando tiempo

Kim y sus colegas informaron sus primeros resultados utilizando epitaxia remota en 2017. Luego, fueron capaces de producir adelgazamiento, películas flexibles de material semiconductor colocando primero una capa de grafeno en una capa gruesa, oblea cara hecha de una combinación de metales exóticos. Hicieron fluir átomos de cada metal sobre la oblea cubierta de grafeno y encontraron que los átomos formaban una película sobre el grafeno. en el mismo patrón de cristal que la oblea subyacente. El grafeno proporcionó una superficie antiadherente de la que los investigadores pudieron despegar la nueva película. dejando la oblea cubierta de grafeno, que podrían reutilizar.

En 2018, El equipo demostró que podían utilizar la epitaxia remota para fabricar materiales semiconductores a partir de metales de los grupos 3 y 5 de la tabla periódica. pero no del grupo 4. La razón, ellos encontraron, reducido a la polaridad, o las cargas respectivas entre los átomos que fluyen sobre el grafeno y los átomos en la oblea subyacente.

Desde esta realización, Kim y sus colegas han probado una serie de combinaciones de semiconductores cada vez más exóticas. Como se informa en este nuevo documento, el equipo utilizó la epitaxia remota para hacer películas semiconductoras flexibles a partir de óxidos complejos, compuestos químicos hechos de oxígeno y al menos otros dos elementos. Se sabe que los óxidos complejos tienen una amplia gama de propiedades eléctricas y magnéticas, y algunas combinaciones pueden generar una corriente cuando se estiran físicamente o se exponen a un campo magnético.

Kim dice que la capacidad de fabricar películas flexibles de óxidos complejos podría abrir la puerta a nuevos dispositivos de almacenamiento de energía. como sábanas o revestimientos que se estiran en respuesta a las vibraciones y producen electricidad como resultado. Hasta ahora, materiales de óxido complejos sólo se han fabricado en rígidos, obleas de un milímetro de espesor, con una flexibilidad limitada y, por tanto, un potencial de generación de energía limitado.

Los investigadores tuvieron que modificar su proceso para hacer películas complejas de óxido. Inicialmente descubrieron que cuando intentaban producir un óxido complejo como el titanato de estroncio (un compuesto de estroncio, titanio, y tres átomos de oxígeno), los átomos de oxígeno que fluían sobre el grafeno tendían a unirse con los átomos de carbono del grafeno, grabar fragmentos de grafeno en lugar de seguir el patrón de la oblea subyacente y unir con estroncio y titanio. Como solución sorprendentemente simple, los investigadores agregaron una segunda capa de grafeno.

"Vimos que cuando se quita la primera capa de grafeno, ya se han formado compuestos de óxido, tan elemental oxígeno, una vez que forma estos compuestos deseados, no interactúa tanto con el grafeno, "Kim explica." Así que dos capas de grafeno dan algo de tiempo para que se forme este compuesto ".

Pelar y apilar

El equipo utilizó su proceso recientemente modificado para hacer películas a partir de múltiples materiales de óxido complejos, despegando cada capa de 100 nanómetros de espesor a medida que se hizo. También pudieron apilar capas de diferentes materiales de óxidos complejos y pegarlos de manera efectiva calentándolos ligeramente. produciendo un flexible, dispositivo multifuncional.

"Esta es la primera demostración de apilar membranas delgadas de varios nanómetros como bloques LEGO, lo cual ha sido imposible porque todos los materiales electrónicos funcionales existen en forma de oblea gruesa, "Dice Kim.

En un experimento, El equipo apiló películas de dos óxidos complejos diferentes:ferrita de cobalto, se sabe que se expande en presencia de un campo magnético, y PMN-PT, un material que genera voltaje cuando se estira. Cuando los investigadores expusieron la película multicapa a un campo magnético, las dos capas trabajaron juntas para expandirse y producir una pequeña corriente eléctrica.

Los resultados demuestran que la epitaxia remota se puede utilizar para fabricar componentes electrónicos flexibles a partir de una combinación de materiales con diferentes funcionalidades. que anteriormente eran difíciles de combinar en un solo dispositivo. En el caso de ferrita de cobalto y PMN-PT, cada material tiene un patrón cristalino diferente. Kim dice que las técnicas tradicionales de epitaxia, que cultivan materiales a altas temperaturas en una oblea, solo puede combinar materiales si sus patrones cristalinos coinciden. Dice que con epitaxia remota, los investigadores pueden hacer cualquier cantidad de películas diferentes, usando diferentes, obleas reutilizables, y luego apilarlos juntos, independientemente de su patrón cristalino.

"El panorama general de este trabajo es, puedes combinar materiales totalmente diferentes en un solo lugar, "Dice Kim." Ahora puedes imaginar una delgada, dispositivo flexible hecho de capas que incluyen un sensor, sistema informático, una batería, una celda solar, para que puedas tener un autoalimentado, chip apilado de Internet de las cosas ".

El equipo está explorando varias combinaciones de películas semiconductoras y está trabajando en el desarrollo de prototipos de dispositivos, como algo que Kim llama "tatuaje electrónico", un Chip transparente que puede adherirse y adaptarse al cuerpo de una persona para detectar y transmitir de forma inalámbrica signos vitales como la temperatura y el pulso.

"Ahora podemos adelgazar, flexible, electrónica portátil con la más alta funcionalidad, "Dice Kim." Simplemente despega y apila ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.