17 feb. 1999
2 minuten
Elektronicacircuits worden gewoonlijk geïntegreerd op rigide silicium wafers, maar en buigzaam basismateriaal zou een nieuwe reeks van nieuwe toepassingen mogelijk maken. Het blijft echter een uitdaging om flexibele materialen te vinden met een juiste mix van gewenste eigenschappen en productiekosten. Een onderzoeksteam van de University of Pennsylvania heeft nu laten zien dat nanodeeltjes of nanokristallen van het halfgeleidermateriaal cadmiumselenide kunne worden geprint of gecoat op flexibele kunststof om zo goed functionerende elektronica te bouwen
Onderzoeksleider is David Kim, doctoraalstudent aan het Department of Materials Science and Engineering van Penn’s School of Engineering and Applied Science; Andere leden van hetteam zijn Yuming Lai, doctoraalstudent op de afdeling Electrical and Systems Engineering van de school, professor Cherie Kagan, die werkzaam is op beide afdelingen en op de School of Arts and Sciences, Benjamin Diroll, doctoraalstudent scheidkunde en professor Christopher Murray van ‘Materials Science and of Chemistry’.
Sneller
Kagan: "We laten zien dat in componenten van cadmiumselenide kristallen de elektronen 32 maal sneller kunnen bewegen dan in amorf silicium". Naast snelheid is een ander voordeel ten opzichte van amorf silicium de temperatuur waarbij het materiaal kan worden opgebracht. Bij amorf silicium wordt een depositieproces gebruiky met temperatyren van enkele honderden graden, terwijl het bij CaSe bij kamertemperatuur kan, zodat meer fkexibele plastic substraten kunnen worden toegepast.
Liganden
Een andere innovatie die het gebruik van flexibel plastic mogelijk maakt, is de keuze van liganden – moleculen of ionen met een vrij elektronenpaar, dat kan worden gebruikt om een binding te vormen met een metaal of een metaalion. "Er is veel onderzoek gedaan naar het elektronentransport in cadmiumselenide, maar tot voorkort konden we er nog geen goede prestaties mee bereiken", zegt Kim. "Een nieuw aspect in ons werk is dat we ligandden gebruiken die we heel makkelijk kunnen overbrengen op het flexibele plastic. Andere liganden zijn zo bijtend dat het plastic smelt."
Omdat de nanokristallen zijn opgenomen in een inktachtige vloeistof, zijn voor het maken van circuits verschillende depositiemethoden mogelijk. De onderzoekers genruikten spincoatig waarbij centrifuga;e krachten een dunne laag van de oplossing vormen op het oppervlak. Maar de nanokristallen zouden ook kunnen worden aangebracht door dompelen, sproeien of inkjetprinten.
Testcircuit
Op een flexibel vel plastic werd met behulp van een schaduwmasker als bodemlaag een elektrodenstructuur aangebracht. Daarna werd het masker gebruikt om kleine gebiedjes van geleidend goud te definiëren, om verbiningen te maken met hogere lagen van het circuit. Vervolgens werd een isolerende aluminiumoxidelaag aangebracht en een 30 nanometer dikke laag nanokristallen. Tenslotte werden op de toplaag weer elektroden opgebracht.
"De meer complexe circuits lijken op gebouwen met verdiepingen", zegt Kagan. "Het goud vormt dan de trappen waarlangs de elektronen zich van de ene naar de andere verdieping kunnen verplaatsen."
Met dit proces bouwden de onderzoekers drie soorten testcircuits: een inverter, een versterker en een ringoscillator. "Een inverter is de fundamentele bouwsteen voor complexe schakelingen", zegt Lai. "Maar we kunnen ook analoge versterkers laten zien een oscillatoren waarin aan- en uit-signalen zich op de juiste manier voortplanten door een aantal trappen in digitale circuits."
"En al deze circuits werken op een paar volt", voegt Kagan toe. "Daardoor zijn ze geschikt voor draagbare, batterijgevoede toestellen."