Teknik Manufaktur Baru untuk Elektronik Fleksibel

Sirkuit komputer yang sangat tipis dan fleksibel telah menjadi tujuan rekayasa selama bertahun-tahun, tetapi rintangan teknis telah mencegah tingkat miniaturisasi yang diperlukan untuk mencapai kinerja tinggi. Sekarang, para peneliti di Universitas Stanford telah menemukan teknik manufaktur yang menghasilkan transistor yang fleksibel dan tipis secara atomik dengan panjang kurang dari 100 nanometer — beberapa kali lebih kecil dari kemungkinan sebelumnya.

Dengan kemajuan, kata para peneliti, apa yang disebut "flextronics" bergerak lebih dekat dengan kenyataan. Elektronik yang fleksibel menjanjikan sirkuit komputer yang dapat ditekuk, dapat dibentuk, namun hemat energi yang dapat dikenakan, atau ditanamkan ke dalam, tubuh manusia untuk melakukan berbagai tugas yang berhubungan dengan kesehatan. Terlebih lagi, "internet of things" yang akan datang, di mana hampir setiap perangkat dalam kehidupan kita terintegrasi dan saling terhubung, juga akan mendapat manfaat dari flextronics.

Di antara bahan yang cocok untuk elektronik fleksibel, semikonduktor dua dimensi (2D) telah menjanjikan karena sifat mekanik dan listriknya yang sangat baik, bahkan pada skala nano, menjadikannya kandidat yang lebih baik daripada silikon konvensional atau bahan organik.

Tantangan teknik hingga saat ini adalah bahwa membentuk perangkat yang hampir mustahil tipis ini membutuhkan proses yang terlalu intensif panas untuk substrat plastik fleksibel. Bahan-bahan ini akan meleleh dan terurai dalam proses produksi.

Solusinya menurut para peneliti, adalah melakukannya secara bertahap, dimulai dengan substrat dasar yang tidak fleksibel. Mereka membentuk film tipis atomik dari semikonduktor molibdenum disulfida (MoS2) 2D yang dilapisi dengan elektroda emas kecil berpola nano di atas lempengan silikon padat yang dilapisi dengan kaca. Karena langkah ini dilakukan pada substrat silikon konvensional, dimensi transistor skala nano dapat dipola dengan teknik pola canggih yang ada, mencapai resolusi yang tidak mungkin dilakukan pada substrat plastik fleksibel.

Teknik pelapisan ini, yang dikenal sebagai deposisi uap kimia (CVD), menumbuhkan lapisan atom MoS2 satu per satu. Film yang dihasilkan hanya setebal tiga atom tetapi membutuhkan suhu mencapai 850 ° C (lebih dari 1500 ° F) untuk bekerja. Sebagai perbandingan, substrat fleksibel — terbuat dari polimida, plastik tipis — akan kehilangan bentuknya di suatu tempat sekitar 360°C (680°F), dan terurai sepenuhnya pada suhu yang lebih tinggi.

Dengan terlebih dahulu membuat pola dan membentuk bagian-bagian penting ini pada silikon kaku dan membiarkannya mendingin, para peneliti Stanford dapat menerapkan bahan fleksibel tanpa kerusakan. Dengan rendaman sederhana dalam air deionisasi, seluruh tumpukan perangkat terkelupas, sekarang sepenuhnya ditransfer ke polimida fleksibel.

Setelah beberapa langkah fabrikasi tambahan, hasilnya adalah transistor fleksibel yang mampu menghasilkan kinerja beberapa kali lebih baik daripada yang diproduksi sebelumnya dengan semikonduktor tipis atom. Para peneliti mengatakan bahwa sementara seluruh sirkuit dapat dibangun dan kemudian ditransfer ke bahan yang fleksibel, komplikasi tertentu dengan lapisan berikutnya membuat langkah-langkah tambahan ini lebih mudah setelah transfer.

“Pada akhirnya, seluruh struktur hanya setebal 5 mikron, termasuk polimida fleksibel,” kata Profesor Eric Pop. “Itu sekitar sepuluh kali lebih tipis dari rambut manusia.”

Sementara pencapaian teknis dalam memproduksi transistor skala nano pada bahan yang fleksibel adalah penting dalam dirinya sendiri, para peneliti juga menggambarkan perangkat mereka sebagai "performa tinggi," yang dalam konteks ini berarti bahwa mereka mampu menangani arus listrik tinggi saat beroperasi pada tegangan rendah. , sesuai kebutuhan untuk konsumsi daya yang rendah.

“Penurunan skala ini memiliki beberapa manfaat,” kata Dr. Daus. “Tentu saja Anda dapat memasukkan lebih banyak transistor dalam tapak tertentu, tetapi Anda juga dapat memiliki arus yang lebih tinggi pada tegangan yang lebih rendah — kecepatan tinggi dengan konsumsi daya yang lebih sedikit.”

Sementara itu, kontak logam emas menghilangkan dan menyebarkan panas yang dihasilkan oleh transistor saat digunakan — panas yang dapat membahayakan polimida fleksibel.

Dengan prototipe dan aplikasi paten yang lengkap, Daus dan Pop telah beralih ke tantangan berikutnya dalam menyempurnakan perangkat. Mereka telah membangun transistor serupa menggunakan dua semikonduktor tipis atom lainnya (MoSe2 dan WSe2) untuk menunjukkan penerapan luas dari teknik ini.

Sementara itu, Daus mengatakan bahwa dia sedang mempertimbangkan untuk mengintegrasikan sirkuit radio dengan perangkat, yang akan memungkinkan variasi masa depan untuk berkomunikasi secara nirkabel dengan dunia luar — lompatan besar lainnya menuju kelayakan untuk flextronics, terutama yang ditanamkan di tubuh manusia atau terintegrasi jauh di dalam perangkat lain. terhubung ke internet of things.

“Ini lebih dari sekadar teknik produksi yang menjanjikan. Kami telah mencapai fleksibilitas, kepadatan, kinerja tinggi, dan daya rendah — semuanya pada saat yang bersamaan,” kata Pop. “Pekerjaan ini diharapkan akan memajukan teknologi di beberapa tingkatan.”