Нанотрубки сплелись в электроцепи

Созданием гибких электронных схем ученые и инженеры занимаются уже довольно давно. Основной упор в этих работах делается на органические полупроводниковые материалы, которым пророчат большое будущее с развитием технологии микропечати. Однако круг применения полупроводниковой органики пока сильно ограничен органическими светодиодными дисплеями и некоторыми другими технологиями – в основном, из-за не лучших рабочих характеристик органических полупроводников. И пусть иногда в сфере органической электроники случаются свои прорывы, индустрия гибких электронных схем движется вперед медленно и поступательно.

Обогнать развитие органических гибких электронных схем решили американские ученые из Университета имени Пердью в американском штате Индиана и Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейн.

Они сумели приспособить для создания гибких электронных цепей углеродные нанотрубки, которые уже давно напрашивались на подобное применение.

Технология, которую специалисты из Иллинойса и Индианы разрабатывали в течение четырех лет, получила название «технологии наносетей», так как подразумевает использование в качестве полупроводникового материала беспорядочно спутанных массивов одностенных углеродных нанотрубок.

До сих пор развитие данной технологии сдерживалось тем, что в ходе синтеза всегда образуется смесь углеродных нанотрубок, две трети которой являются прекрасными полупроводниками, а одна треть обладает металлической проводимостью. Это значит, что при попытке создания транзистора на основе этой сети, «металлические» трубки будут «закорачивать» электроды транзистора, шунтируя ток между его эмиттером и коллектором; в итоге транзистора как такового на основе углеродных нанотрубок не получится.

Метод решения этой проблемы найден. Как показали в недавней работе ученые из Стенфордского университета, разделить металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки можно, причем для этого даже не нужно выходить за рамки стандартных технологий микроэлектроники.

Теперь группы Мухаммеда Алама с помощью моделирования, а Джона Роджерса – экспериментально – показали, что

для достижения хороших полупроводниковых свойств углеродных нанотрубок нет нужды даже разделять их.

Достаточно нарезать их массив, выложенный на полимерной подложке, тонкими линиями.

При этом происходит укорочение спутанных трубок и нарушение контактов между ними. При определенном расстоянии между эмиттером транзистора и его коллектором и определенной толщине нанесенной на подложку «наносетки», ширина полос, соединяющих контакты транзистора, должна иметь вполне определенную максимально допустимую ширину. При этом металлические нанотрубки оказываются расчлененными на отдельные короткие участки, а полупроводниковые нанотрубки все еще создают контакт между электродами транзистора.

Расчетом этих геометрических параметров и занимались группа Алама в Индиане, тогда как в Иллинойсе Роджерс и его коллеги проверяли расчетные данные экспериментально.

Разрезание «наносетки» на тонкие полоски требует в процессе производства гибкой микросхемы всего лишь одной дополнительной процедуры литографии и плазменного травления, давно ставших рутиной. Вот и вся суть инновации, изложенной в статье в последнем выпуске журнала Nature. Большая часть статьи посвящена оценке и сравнению рабочих характеристик гибких электронных цепей на основе полупроводниковых «наносеток».

В итоге альянс специалистов смог продемонстрировать несколько гибких электросхем из сотни работающих полевых транзисторов. В качестве подложки, на которую монтировалась электронная цепь, использовался полиимидный пластик, на который в последствии напылялись золотые электроды.

Алам считает, что в отличие от предшественников, ему удалось показать возможность создания универсальных гибких электронных схем с высокой эффективностью, низким весом и отличной устойчивостью к коротким замыканиям.

Такие нанотрубки могут быть встроены куда угодно – хоть в обшивку сверхсовременного истребителя, хоть в спортивные трусы.

Одним из благопристойных способов применения своего детища Алам видит создание гибкой электронной кожи для деталей, узлов и фюзеляжей самолетов, которая будет в каждый момент времени отслеживать возникновение неполадок, критических нагрузок и трещин в материалах.

Если же стоимость такой тянущейся электронной кожи в итоге упадет ещё ниже, предприимчивые дизайнеры наверняка придумают, как использовать её для создания высокотехнологичной одежды для экстремальных видов спорта. Не исключено, что подобные гибкие электронные цепи будут использованы в создании электронной бумаги –например, электронных газет в духе фильмов про Гарри Поттера, картинки на которых смогут оживать. Быстродействия органических полупроводников для проигрывания видеофайлов вряд ли хватит.

Фантазируя далее Алам прогнозирует развитие целой отрасли макроэлектроники на основе гибких электронных схем с применением «наносеток». Такие типы встраиваемых электронных устройств как нельзя лучше подходят для создания больших и в то же время тонких и легких электроцепей.

Правда, микро- и наноэлектронные приложения, судя по всему, еще надолго останутся уделом «твердых» кремниевых микрочипов.