La electrónica integrada flexible puede ser posible con semiconductores en capas

Existe una barrera para el advenimiento de los sistemas electrónicos verdaderamente flexibles que se necesitan para interfaces hombre-máquina avanzadas, pieles artificiales, atención médica inteligente y más, pero un equipo de investigación dirigido por Penn State puede haber encontrado una forma de evitarlo.

Según el investigador principal Cunjiang Yu, quien es profesor asociado de desarrollo profesional en ingeniería e ingeniería mecánica e ingeniería biomédica de Dorothy Quiggle en Penn State, los sistemas electrónicos completamente flexibles requieren flexibilidad en cada componente. Los investigadores lograron esta característica en la mayoría de los componentes, con la excepción de un tipo de semiconductor, que es notoriamente frágil. Ahora Yu y su equipo internacional han desarrollado un enfoque para compensar los semiconductores débiles y quebradizos para acercar el campo a los sistemas totalmente flexibles.

Su trabajo ha sido publicado en Electrónica de la naturaleza.

“Tal tecnología requiere semiconductores flexibles y resistentes a la tracción, el material central necesario para habilitar los circuitos integrados, que es fundamental para la tecnología que habilita nuestras computadoras, teléfonos y mucho más, pero estos semiconductores son en su mayoría de tipo p”, dijo Yu, refiriéndose al material que conduce la electricidad principalmente a través de agujeros móviles cargados positivamente. “Sin embargo, la electrónica integrada complementaria, la optoelectrónica, las uniones pn y muchas otras también requieren un semiconductor de tipo n”.

Los semiconductores de tipo N conducen la electricidad principalmente a través de electrones portadores de carga negativa y, cuando se combinan con semiconductores de tipo p, pueden actuar como un interruptor, con la corriente fluyendo en una dirección. A menudo son rígidos y, según Yu, se necesitan algunas estrategias para hacerlos mecánicamente más resistentes a la tracción para lograr transistores y circuitos totalmente resistentes a la tracción con semiconductores de tipo n.

Para resolver este problema, los investigadores intercalaron un semiconductor de tipo n entre dos materiales gomosos llamados elastómeros, que son polímeros que pueden estirarse y volver a su forma original.

“Descubrimos que la arquitectura de pila mejora la capacidad de estiramiento mecánica e inhibe la formación y propagación de microfisuras en un semiconductor frágil de tipo n”, dijo Yu, explicando que las microfisuras son pequeños defectos estructurales que se producen cuando se estira un semiconductor de tipo n. Pueden deteriorar los parámetros eléctricos y provocar daños mecánicos.

Yu dijo que el equipo pasó por una serie de pruebas de resistencia y estabilidad, todas las cuales pasaron con gran éxito. También usaron la pila para fabricar transistores estirables y electrónica integrada.

“Los transistores flexibles mantuvieron la alta eficiencia del dispositivo incluso cuando se estiraron un 50% en cualquier dirección”, dijo Yu. “Los dispositivos también mostraron un funcionamiento estable a largo plazo durante más de 100 días en un entorno ambiental”.

Según Yu, la estabilidad en el entorno ambiental es particularmente útil porque los semiconductores de tipo n pueden perder rendimiento cuando se exponen al oxígeno y la humedad. Intercalado entre los elastómeros, el semiconductor está efectivamente protegido de los elementos.

Después de eso, dijo Yu, el equipo continuará trabajando para mejorar el rendimiento de los materiales apilados y optimizar la configuración de las capas para reducir aún más la densidad de las microfisuras.

“Ahora tenemos semiconductores de tipo n estirables, y pronto tendremos circuitos integrados de goma estirables”, dijo Yu. “¿No es emocionante?”