No coração de qualquer dispositivo eletrônico está um resfriado, chip de computador rígido, coberto em uma cidade em miniatura de transistores e outros elementos semicondutores. Como os chips de computador são rígidos, os dispositivos eletrônicos que eles acionam, como nossos smartphones, laptops, relógios, e televisores, são igualmente inflexíveis.

Agora, um processo desenvolvido por engenheiros do MIT pode ser a chave para a fabricação de eletrônicos flexíveis com múltiplas funcionalidades de uma forma econômica.

O processo é chamado de "epitaxia remota" e envolve o crescimento de filmes finos de material semicondutor em um grande, wafer grosso do mesmo material, que é coberto por uma camada intermediária de grafeno. Depois que os pesquisadores cultivam um filme semicondutor, eles podem descascá-lo do wafer coberto de grafeno e, em seguida, reutilizar o wafer, que por si só pode ser caro dependendo do tipo de material de que é feito. Desta maneira, a equipe pode copiar e descascar qualquer quantidade de thin, filmes semicondutores flexíveis, usando o mesmo wafer subjacente.

Em um artigo publicado hoje na revista Natureza , os pesquisadores demonstram que podem usar epitaxia remota para produzir filmes independentes de qualquer material funcional. Mais importante, eles podem empilhar filmes feitos com esses diferentes materiais, para produzir flexível, dispositivos eletrônicos multifuncionais.

Os pesquisadores esperam que o processo possa ser usado para produzir filmes eletrônicos elásticos para uma ampla variedade de usos, incluindo lentes de contato habilitadas para realidade virtual, peles movidas a energia solar que se moldam aos contornos do seu carro, tecidos eletrônicos que respondem ao clima, e outros eletrônicos flexíveis que até agora pareciam ser o material dos filmes da Marvel.

"Você pode usar essa técnica para misturar e combinar qualquer material semicondutor para ter uma nova funcionalidade de dispositivo, em um chip flexível, "diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Você pode fazer eletrônicos em qualquer formato."

Tempo de compra

Kim e seus colegas relataram seus primeiros resultados usando epitaxia remota em 2017. Então, eles foram capazes de produzir finos, filmes flexíveis de material semicondutor, colocando primeiro uma camada de grafeno em uma camada espessa, wafer caro feito de uma combinação de metais exóticos. Eles fluíram átomos de cada metal sobre o wafer coberto de grafeno e descobriram que os átomos formaram um filme em cima do grafeno, no mesmo padrão de cristal do wafer subjacente. O grafeno forneceu uma superfície antiaderente da qual os pesquisadores puderam retirar o novo filme, deixando o wafer coberto de grafeno, que eles poderiam reutilizar.

Em 2018, a equipe mostrou que eles poderiam usar epitaxia remota para fazer materiais semicondutores de metais nos grupos 3 e 5 da tabela periódica, mas não do grupo 4. O motivo, eles encontraram, condensou-se na polaridade, ou as respectivas cargas entre os átomos fluindo sobre o grafeno e os átomos na bolacha subjacente.

Desde esta constatação, Kim e seus colegas tentaram várias combinações de semicondutores cada vez mais exóticas. Conforme relatado neste novo artigo, a equipe usou epitaxia remota para fazer filmes semicondutores flexíveis de óxidos complexos - compostos químicos feitos de oxigênio e pelo menos dois outros elementos. Óxidos complexos são conhecidos por terem uma ampla gama de propriedades elétricas e magnéticas, e algumas combinações podem gerar uma corrente quando fisicamente esticada ou exposta a um campo magnético.

Kim diz que a capacidade de fabricar filmes flexíveis de óxidos complexos pode abrir a porta para novos dispositivos de consumo de energia, como lençóis ou coberturas que se esticam em resposta às vibrações e, como resultado, produzem eletricidade. Até agora, materiais de óxido complexo só foram fabricados em rígidos, bolachas de milímetros de espessura, com flexibilidade limitada e, portanto, potencial de geração de energia limitado.

Os pesquisadores tiveram que ajustar seu processo para fazer filmes de óxido complexos. Eles descobriram inicialmente que, quando tentaram fazer um óxido complexo, como titanato de estrôncio (um composto de estrôncio, titânio, e três átomos de oxigênio), os átomos de oxigênio que fluíam sobre o grafeno tendiam a se ligar aos átomos de carbono do grafeno, decapando pedaços de grafeno em vez de seguir o padrão do wafer subjacente e unindo-se com estrôncio e titânio. Como uma solução surpreendentemente simples, os pesquisadores adicionaram uma segunda camada de grafeno.

"Vimos que, no momento em que a primeira camada de grafeno é removida, compostos de óxido já se formaram, então oxigênio elementar, uma vez que forma esses compostos desejados, não interage tão fortemente com o grafeno, "Kim explica." Portanto, duas camadas de grafeno dão algum tempo para a formação desse composto.

Descascar e empilhar

A equipe usou seu processo recém-ajustado para fazer filmes a partir de vários materiais de óxidos complexos, descascando cada camada de 100 nanômetros de espessura à medida que era feita. Eles também foram capazes de empilhar camadas de diferentes materiais de óxidos complexos e colá-los com eficácia aquecendo-os levemente, produzindo um flexível, dispositivo multifuncional.

"Esta é a primeira demonstração de empilhamento de membranas finas de vários nanômetros como blocos de LEGO, o que tem sido impossível porque todos os materiais eletrônicos funcionais existem em uma forma de wafer espesso, "Kim diz.

Em um experimento, a equipe empilhou filmes de dois óxidos complexos diferentes:ferrita de cobalto, conhecido por se expandir na presença de um campo magnético, e PMN-PT, um material que gera voltagem quando esticado. Quando os pesquisadores expuseram o filme multicamadas a um campo magnético, as duas camadas trabalharam juntas para expandir e produzir uma pequena corrente elétrica.

Os resultados demonstram que a epitaxia remota pode ser usada para fazer eletrônicos flexíveis a partir de uma combinação de materiais com diferentes funcionalidades, que anteriormente eram difíceis de combinar em um dispositivo. No caso da ferrita de cobalto e PMN-PT, cada material tem um padrão cristalino diferente. Kim diz que as técnicas tradicionais de epitaxia, que cultivam materiais em altas temperaturas em um wafer, só pode combinar materiais se seus padrões cristalinos corresponderem. Ele diz que com epitaxia remota, os pesquisadores podem fazer vários filmes diferentes, usando diferente, wafers reutilizáveis, e, em seguida, empilhá-los juntos, independentemente de seu padrão cristalino.

"O quadro geral deste trabalho é, você pode combinar materiais totalmente diferentes em um só lugar, "Kim diz." Agora você pode imaginar um fino, dispositivo flexível feito de camadas que incluem um sensor, sistema de computação, uma bateria, uma célula solar, para que você pudesse ter um flexível, auto-alimentado, chip empilhado de internet das coisas. "

A equipe está explorando várias combinações de filmes semicondutores e trabalhando no desenvolvimento de protótipos de dispositivos, como algo que Kim está chamando de "tatuagem eletrônica", uma flexível, chip transparente que pode se conectar e se conformar ao corpo de uma pessoa para detectar e transmitir sem fio sinais vitais, como temperatura e pulso.

"Agora podemos fazer finas, flexível, eletrônicos vestíveis com a mais alta funcionalidade, "Kim diz." Basta descascar e empilhar. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.