斯坦福大學發明突破性製造技術用於製造超薄柔性電子產品
目前可穿戴柔性電子產品難以實現,但斯坦福大學研究人員說他們已經取得了突破性進展。多年來,超薄的柔性計算機電路一直是一個工程目標,但技術上的障礙阻礙了實現高性能所需的微型化程度。
現在,斯坦福大學的研究人員發明了一種製造技術,可以生產出長度小於100納米的柔性原子薄型晶體管,比以前小幾倍。今天他們在《自然-電子學》上的一篇論文中詳細介紹了這種技術。研究人員說,隨著這一進展,所謂的”柔性電子學”更接近於現實。柔性電子器件有望實現可彎曲、可塑形、但節能的計算機電路,可以穿在身上或植入人體,以執行各種健康相關的任務。更重要的是,即將到來的物聯網,即我們生活中幾乎每一個設備都與柔性電子器件集成和互聯,應該同樣受益於柔性電子技術。
迄今為止,工程上的挑戰是,可穿戴柔性電子產品的柔性材料在生產過程中會簡單地融化和分解。根據斯坦福大學電子工程教授Eric Pop和開發該技術的Pop實驗室的博士後學者Alwin Daus的說法,解決方案是分步驟進行,從一個不具柔性的基礎基材開始,即在一塊塗有玻璃的固體矽板上,形成了一層原子級的二維半導體二硫化鉬(MoS2)薄膜,上面覆蓋著小型納米圖案的金電極。由於這一步驟是在傳統的矽襯底上進行的,納米級的晶體管尺寸可以用現有的先進圖案技術進行圖案製作,實現了在柔性塑料襯底上不可能達到的分辨率。
被稱為化學氣相沉積(CVD)的分層技術,一次只生長一層原子的MoS2薄膜。生成的薄膜只有三個原子厚,但需要達到850攝氏度(超過1500華氏度)的溫度才能發揮作用。相比之下,柔性基底由聚酰亞胺製成,在360攝氏度(680華氏度)左右早就失去了形狀,並在更高的溫度下完全分解了。斯坦福大學的研究人員首先在硬質矽上繪製圖案並形成這些關鍵部件,然後讓它們冷卻,就可以在不損壞的情況下應用柔性材料。通過在去離子水中的簡單浸泡,整個設備堆棧被剝離,現在完全轉移到柔性聚酰亞胺上。
經過幾個額外的製造步驟,結果是柔性晶體管性能比以前用原子薄半導體生產的任何產品性能能高幾倍。研究人員說,雖然整個電路可以建立,然後轉移到柔性材料上,但後續層的某些複雜情況,使轉移後的這些額外步驟更容易。最後,整個結構只有5微米厚,包括柔性聚酰亞胺,這比人的頭髮要薄十倍左右。雖然在柔性材料上生產納米級晶體管的技術成就本身就很引人注目,但研究人員還將他們的設備描述為”高性能”設備,在這種情況下,這意味著它們能夠處理高電流,同時在低電壓下工作,這是低功耗的要求。