![Fig. 1: Schematische weergave van de stappen die betrokken zijn bij het directe roldrukproces met bijbehorende optische en SEM-afbeeldingen. een fabricagestap van Si NR's uitgevoerd op het donorsubstraat met n + selectieve doping gevolgd door het vrijgeven van de NR's uit de begraven oxidelaag (Box) zoals weergegeven in SEM-dwarsdoorsnedebeeld (schaalbalk, 10 m). b Conventionele transferdrukstappen met behulp van een elastomere stempel (PDMS) met een optisch beeld van elke stap (schaalbalk, 25 m). c Direct printen op rol van NR's van donor naar het semi-uitgeharde PI-substraat (schaalbalk, 25 m). d Conventionele microfabricageverwerkingsstappen naar een definitief NRFET-apparaat (dwz diëlektrische afzetting bij kamertemperatuur, metallisatie, enz. (schaalbalk, 100 m)). Krediet: DOI: 10.1038/s41528-021-00116-w Nieuwe methode om flexibele elektronica te fabriceren](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/new-method-for-fabrica.jpg)
Fig. 1: Schematische weergave van de stappen die betrokken zijn bij het directe roldrukproces met bijbehorende optische en SEM-afbeeldingen. een fabricagestap van Si NR’s uitgevoerd op het donorsubstraat met n + selectieve doping gevolgd door het vrijgeven van de NR’s uit de begraven oxidelaag (Box) zoals weergegeven in SEM-dwarsdoorsnedebeeld (schaalbalk, 10 m). b Conventionele transferdrukstappen met behulp van een elastomere stempel (PDMS) met een optisch beeld van elke stap (schaalbalk, 25 m). c Direct printen op rol van NR’s van donor naar het semi-uitgeharde PI-substraat (schaalbalk, 25 m). d Conventionele microfabricageverwerkingsstappen naar een definitief NRFET-apparaat (dwz diëlektrische afzetting bij kamertemperatuur, metallisatie, enz. (schaalbalk, 100 m)). Krediet: DOI: 10.1038/s41528-021-00116-w
Een nieuwe methode voor het vervaardigen van elektronica die hoogwaardig silicium rechtstreeks op flexibele materialen print, zou kunnen leiden tot doorbraken in technologieën, waaronder protheses, hoogwaardige elektronica en volledig buigbare digitale displays.
In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift npj Flexibele Elektronica, leggen ingenieurs van de Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST)-groep van de Universiteit van Glasgow uit hoe ze het conventionele proces voor het maken van flexibele elektronica voor grote oppervlakken hebben gestroomlijnd en verbeterd.
Tot nu toe werd de meest geavanceerde flexibele elektronica voornamelijk vervaardigd door middel van een proces dat transferprinten wordt genoemd, een stempelproces in drie fasen dat een beetje lijkt op het ontvangen van een inktstempel in een paspoort bij een bezoek aan een ander land.
Eerst wordt een op silicium gebaseerde halfgeleider-nanostructuur ontworpen en gekweekt op een oppervlak dat bekend staat als een substraat. In de tweede fase wordt de nanostructuur van het substraat opgepikt door een zachte polymere stempel. In de laatste fase wordt de nanostructuur van de stempel overgebracht naar een ander flexibel substraat, klaar voor gebruik in buigbare apparaten zoals gezondheidsmonitoren, zachte robotica en buigbare displays.
Het transferprintproces heeft echter een aantal beperkingen die het een uitdaging maakten om meer grootschalige, complexe flexibele apparaten te maken. Het nauwkeurig controleren van kritische variabelen zoals de overdrachtssnelheid en de hechting en oriëntatie van de nanostructuur, maakt het moeilijk om ervoor te zorgen dat elke stempel identiek is aan de laatste.
Net zoals een slecht gestempeld paspoort het voor reizigers moeilijk kan maken om te lezen, kan een onvolledige of verkeerd uitgelijnde polymere stempel op het uiteindelijke substraat leiden tot ondermaatse elektronische prestaties of zelfs voorkomen dat apparaten werken.
Hoewel er processen zijn ontwikkeld om de stempeloverdracht effectiever te maken, vereisen ze vaak extra apparatuur zoals lasers en magneten, wat extra productiekosten met zich meebrengt.
Het Glasgow-team heeft een andere benadering gekozen en de tweede fase van het conventionele transferdrukproces volledig verwijderd. In plaats van nanostructuren over te brengen op een zachte polymere stempel voordat deze op het uiteindelijke substraat wordt overgebracht, is hun nieuwe proces, wat ze ‘directe roloverdracht’ noemen, om silicium rechtstreeks op een flexibel oppervlak te printen.
Het proces begint met de fabricage van een dunne silicium nanostructuur van minder dan 100 nanometer. Vervolgens wordt het ontvangende substraat – een flexibel, hoogwaardig plastic foliemateriaal genaamd polyimide – bedekt met een ultradunne laag chemicaliën om de hechting te verbeteren.
Het voorbereide substraat wordt om een metalen buis gewikkeld en een door het team ontwikkelde computergestuurde machine rolt de buis vervolgens over de siliciumwafel en brengt deze over op het flexibele materiaal.
Door het proces zorgvuldig te optimaliseren, is het team erin geslaagd om zeer uniforme afdrukken te maken over een oppervlakte van ongeveer 10 vierkante centimeter, met een overdrachtsopbrengst van ongeveer 95% – aanzienlijk hoger dan de meeste conventionele overdrachtsdrukprocessen op nanometerschaal.
Professor Ravinder Dahiya is de leider van de BEST-groep aan de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow.
Professor Dahiya zei: “Hoewel we een vierkant siliciumwafelmonster van 3 cm aan elke kant hebben gebruikt in het proces dat we in dit artikel bespreken, is de grootte van het flexibele donorsubstraat de enige limiet voor de grootte van siliciumwafels die we kunnen printen. waarschijnlijk dat we het proces kunnen opschalen en zeer complexe, hoogwaardige flexibele elektronica kunnen creëren, wat de deur opent naar veel potentiële toepassingen.
“De prestaties die we hebben gezien van de transistors die we in het laboratorium op flexibele oppervlakken hebben geprint, zijn vergelijkbaar met de prestaties van vergelijkbare CMOS-apparaten – de werkpaardchips die veel alledaagse elektronica aansturen.
“Dat betekent dat dit type flexibele elektronica geavanceerd genoeg zou kunnen zijn om flexibele controllers te integreren in bijvoorbeeld LED-arrays, waardoor het mogelijk kan worden om op zichzelf staande digitale displays te creëren die kunnen worden opgerold wanneer ze niet worden gebruikt. Lagen flexibel materiaal gespannen over prothetische ledematen kunnen geamputeerden betere controle geven over hun protheses, of zelfs sensoren integreren om gebruikers een gevoel van ‘aanraking’ te geven.
“Het is een eenvoudiger proces dat in staat is om hoogwaardige flexibele elektronica te produceren met resultaten die net zo goed zijn als, zo niet beter, dan conventionele op silicium gebaseerde elektronica. Het is ook potentieel goedkoper en efficiënter met hulpbronnen, omdat het minder materiaal gebruikt en beter voor het milieu , omdat het minder afval oplevert in de vorm van onbruikbare transfers.”
Ayoub Zumeit et al, Directe roloverdracht bedrukte silicium nanoribbon-arrays op basis van hoogwaardige flexibele elektronica, npj Flexibele Elektronica (2021). DOI: 10.1038/s41528-021-00116-w
Geleverd door de Universiteit van Glasgow