En el MIT “pelan y apilan” productos electrónicos flexibles y a buen precio

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Ingenieros mezclan y combinan materiales para hacer nuevos productos electrónicos elásticos.

Los dispositivos de próxima generación hechos con el nuevo método de “pelar y apilar” pueden incluir chips electrónicos para usar en la piel.

En el corazón de cualquier dispositivo electrónico hay un chip de computadora frío y duro, cubierto en una ciudad en miniatura de transistores y otros elementos semiconductores.

Debido a que los chips de computadora son rígidos, los dispositivos electrónicos que alimentan, como nuestros teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, relojes y televisores, son igualmente inflexibles.

Ahora, un proceso desarrollado por los ingenieros del MIT puede ser la clave para fabricar productos electrónicos flexibles con múltiples funcionalidades de manera rentable.

El proceso se llama “epitaxia remota” e implica el cultivo de películas delgadas de material semiconductor en una oblea grande y gruesa del mismo material, que está cubierto por una capa intermedia de grafeno.

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Una vez que los investigadores cultivan una película semiconductora, pueden despegarla de la oblea cubierta de grafeno y luego reutilizar la oblea, que a su vez puede ser costosa dependiendo del tipo de material del que está hecha.

De esta manera, el equipo puede copiar y despegar cualquier cantidad de películas semiconductoras delgadas y flexibles, utilizando la misma oblea subyacente.

En un artículo publicado en la revista Nature, los investigadores demuestran que pueden usar la epitaxia remota para producir películas independientes de cualquier material funcional.

Más importante aún, pueden apilar películas hechas de estos diferentes materiales, para producir dispositivos electrónicos flexibles y multifuncionales.

Los investigadores esperan que el proceso pueda usarse para producir películas electrónicas elásticas para una amplia variedad de usos, incluyendo lentes de contacto con realidad virtual, pieles con energía solar que se amoldan al contorno de su automóvil, telas electrónicas que responden al clima, y otros dispositivos electrónicos flexibles que hasta ahora parecían ser el material de las películas de Marvel.

“Puede utilizar esta técnica para mezclar y combinar cualquier material semiconductor para tener una nueva funcionalidad del dispositivo, en un chip flexible“, dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

“Puedes hacer electrónica en cualquier forma“.

Los coautores de Kim incluyen a Hyun S. Kum, Sungkyu Kim, Wei Kong, Kuan Qiao, Peng Chen, Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Chanyeol Choi, Luigi Ranno, Seungju Seo, Sangho Lee, Jackson Bauer y Caroline Ross del MIT , junto con colaboradores de la Universidad de Wisconsin en Madison, la Universidad de Cornell, la Universidad de Virginia, la Universidad Penn State, la Universidad Sun Yat-Sen y el Instituto de Investigación de Energía Atómica de Corea.

Kim y sus colegas informaron sobre sus primeros resultados utilizando epitaxia remota en 2017.

Luego, pudieron producir películas delgadas y flexibles de material semiconductor colocando primero una capa de grafeno en una oblea gruesa y costosa hecha de una combinación de metales exóticos.

Fluyeron átomos de cada metal sobre la oblea cubierta de grafeno y encontraron que los átomos formaron una película en la parte superior del grafeno, en el mismo patrón de cristal que la oblea subyacente.

El grafeno proporcionó una superficie antiadherente de la que los investigadores pudieron despegar la nueva película, dejando la oblea cubierta de grafeno, que podrían reutilizar.

En 2018, el equipo demostró que podían usar epitaxia remota para fabricar materiales semiconductores a partir de metales en los grupos 3 y 5 de la tabla periódica, pero no del grupo 4.

Descubrieron que la razón se redujo a polaridad, o las respectivas cargas entre los átomos que fluyen sobre el grafeno y los átomos en la oblea subyacente.

Desde este logro, Kim y sus colegas han intentado una serie de combinaciones semiconductoras cada vez más exóticas.

Como se informó en este nuevo documento, el equipo usó epitaxia remota para hacer películas semiconductoras flexibles a partir de óxidos complejos, compuestos químicos hechos de oxígeno y al menos otros dos elementos.

Se sabe que los óxidos complejos tienen una amplia gama de propiedades eléctricas y magnéticas, y algunas combinaciones pueden generar una corriente cuando se estira o expone físicamente a un campo magnético.

Kim dice que la capacidad de fabricar películas flexibles de óxidos complejos podría abrir la puerta a nuevos dispositivos que contienen energía, como láminas o revestimientos que se estiran en respuesta a vibraciones y producen electricidad como resultado.

Hasta ahora, los materiales de óxido complejos solo se han fabricado en obleas rígidas de milímetro de espesor, con flexibilidad limitada y, por lo tanto, potencial de generación de energía limitado.

Los investigadores tuvieron que ajustar su proceso para hacer películas de óxido complejas.

Inicialmente descubrieron que cuando intentaban fabricar un óxido complejo como el titanato de estroncio (un compuesto de estroncio, titanio y tres átomos de oxígeno), los átomos de oxígeno que fluían sobre el grafeno tendían a unirse con los átomos de carbono del grafeno, eliminando trozos de grafeno en lugar de seguir el patrón subyacente de la oblea y unirse con estroncio y titanio.

Como una solución sorprendentemente simple, los investigadores agregaron una segunda capa de grafeno.

“Vimos que para cuando se graba la primera capa de grafeno, los compuestos de óxido ya se han formado, por lo que el oxígeno elemental, una vez que forma estos compuestos deseados, no interactúa tan fuertemente con el grafeno”, explica Kim.

“Entonces, dos capas de grafeno compran algo de tiempo para que se forme este compuesto“.

El equipo utilizó su proceso recientemente ajustado para hacer películas de múltiples materiales complejos de óxido, despegando cada capa delgada de 100 nanómetros a medida que se hacía.

También pudieron apilar capas de diferentes materiales complejos de óxido y pegarlas calentándolas ligeramente, produciendo un dispositivo flexible y multifuncional.

“Esta es la primera demostración de apilar membranas delgadas de varios nanómetros como bloques LEGO, lo que ha sido imposible porque todos los materiales electrónicos funcionales existen en forma de oblea gruesa“, dice Kim.

En un experimento, el equipo apiló películas de dos óxidos complejos diferentes: ferrita de cobalto, conocida por expandirse en presencia de un campo magnético, y PMN-PT, un material que genera voltaje cuando se estira.

Cuando los investigadores expusieron la película multicapa a un campo magnético, las dos capas trabajaron juntas para expandirse y producir una pequeña corriente eléctrica.

Los resultados demuestran que la epitaxia remota se puede utilizar para hacer electrónica flexible a partir de una combinación de materiales con diferentes funcionalidades, que anteriormente eran difíciles de combinar en un solo dispositivo.

En el caso de ferrita de cobalto y PMN-PT, cada material tiene un patrón cristalino diferente.

Kim dice que las técnicas tradicionales de epitaxia, que producen materiales a altas temperaturas en una oblea, solo pueden combinar materiales si sus patrones cristalinos coinciden.

Él dice que con la epitaxia remota, los investigadores pueden hacer cualquier cantidad de películas diferentes, usando obleas diferentes y reutilizables, y luego apilarlas, independientemente de su patrón cristalino.

“El panorama general de este trabajo es que puedes combinar materiales totalmente diferentes en un solo lugar“, dice Kim.

“Ahora puede imaginar un dispositivo delgado y flexible hecho de capas que incluyen un sensor, un sistema informático, una batería, una célula solar, para que pueda tener un chip apilado de Internet de las cosas flexible y autoalimentado“.

El equipo está explorando varias combinaciones de películas semiconductoras y está trabajando en el desarrollo de dispositivos prototipo, como algo que Kim llama un “tatuaje electrónico”, un chip flexible y transparente que puede adherirse y conformarse al cuerpo de una persona para detectar y transmitir de manera inalámbrica signos vitales, tales como temperatura y pulso.

“Ahora podemos hacer productos electrónicos delgados, flexibles y portátiles con la más alta funcionalidad“, dice Kim.

“Simplemente despegar y apilar“.

Fuente: MIT News