Au cœur de tout appareil électronique se trouve un rhume, puce informatique dure, recouvert d'une ville miniature de transistors et autres éléments semi-conducteurs. Parce que les puces informatiques sont rigides, les appareils électroniques qu'ils alimentent, comme nos smartphones, ordinateurs portables, montres, et téléviseurs, sont tout aussi inflexibles.

Désormais, un processus développé par les ingénieurs du MIT peut être la clé pour fabriquer de l'électronique flexible avec de multiples fonctionnalités de manière rentable.

Le processus est appelé « épitaxie à distance » et consiste à faire croître des films minces de matériau semi-conducteur sur une grande surface, plaquette épaisse du même matériau, qui est recouvert d'une couche intermédiaire de graphène. Une fois que les chercheurs ont fait pousser un film semi-conducteur, ils peuvent le décoller de la plaquette recouverte de graphène, puis réutiliser la plaquette, qui lui-même peut être coûteux selon le type de matériau à partir duquel il est fabriqué. De cette façon, l'équipe peut copier et décoller n'importe quel nombre de minces, films semi-conducteurs flexibles, en utilisant la même plaquette sous-jacente.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue La nature , les chercheurs démontrent qu'ils peuvent utiliser l'épitaxie à distance pour produire des films autoportants de tout matériau fonctionnel. Plus important, ils peuvent empiler des films réalisés à partir de ces différents matériaux, produire des flexibles, appareils électroniques multifonctionnels.

Les chercheurs s'attendent à ce que le processus puisse être utilisé pour produire des films électroniques extensibles pour une grande variété d'utilisations, y compris les lentilles de contact compatibles avec la réalité virtuelle, des peaux à énergie solaire qui épousent les contours de votre voiture, des tissus électroniques qui réagissent aux intempéries, et d'autres appareils électroniques flexibles qui semblaient jusqu'à présent appartenir aux films Marvel.

"Vous pouvez utiliser cette technique pour mélanger et assortir n'importe quel matériau semi-conducteur afin d'avoir de nouvelles fonctionnalités d'appareil, dans une puce flexible, " dit Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Vous pouvez faire de l'électronique sous n'importe quelle forme."

Acheter du temps

Kim et ses collègues ont rapporté leurs premiers résultats en utilisant l'épitaxie à distance en 2017. Ensuite, ils étaient capables de produire mince, films souples de matériau semi-conducteur en plaçant d'abord une couche de graphène sur une couche épaisse, plaquette coûteuse fabriquée à partir d'une combinaison de métaux exotiques. Ils ont fait couler des atomes de chaque métal sur la plaquette recouverte de graphène et ont découvert que les atomes formaient un film au-dessus du graphène, dans le même motif cristallin que la plaquette sous-jacente. Le graphène a fourni une surface antiadhésive à partir de laquelle les chercheurs ont pu décoller le nouveau film, laissant la plaquette recouverte de graphène, qu'ils pourraient réutiliser.

En 2018, l'équipe a montré qu'elle pouvait utiliser l'épitaxie à distance pour fabriquer des matériaux semi-conducteurs à partir de métaux des groupes 3 et 5 du tableau périodique, mais pas du groupe 4. La raison, ils ont trouvé, se résume à la polarité, ou les charges respectives entre les atomes circulant sur le graphène et les atomes de la plaquette sous-jacente.

Depuis cette prise de conscience, Kim et ses collègues ont essayé un certain nombre de combinaisons de semi-conducteurs de plus en plus exotiques. Comme indiqué dans ce nouveau document, l'équipe a utilisé l'épitaxie à distance pour fabriquer des films semi-conducteurs flexibles à partir d'oxydes complexes, des composés chimiques fabriqués à partir d'oxygène et d'au moins deux autres éléments. Les oxydes complexes sont connus pour avoir une large gamme de propriétés électriques et magnétiques, et certaines combinaisons peuvent générer un courant lorsqu'elles sont physiquement étirées ou exposées à un champ magnétique.

Kim dit que la capacité de fabriquer des films flexibles d'oxydes complexes pourrait ouvrir la porte à de nouveaux dispositifs énergivores, tels que des feuilles ou des revêtements qui s'étirent en réponse aux vibrations et produisent de l'électricité en conséquence. Jusqu'à maintenant, les matériaux d'oxyde complexes n'ont été fabriqués que sur des supports rigides, plaquettes d'un millimètre d'épaisseur, avec une flexibilité limitée et donc un potentiel de production d'énergie limité.

Les chercheurs ont dû peaufiner leur processus pour fabriquer des films d'oxyde complexes. Ils ont d'abord découvert que lorsqu'ils ont essayé de fabriquer un oxyde complexe tel que le titanate de strontium (un composé de strontium, titane, et trois atomes d'oxygène), les atomes d'oxygène qu'ils coulaient sur le graphène avaient tendance à se lier aux atomes de carbone du graphène, graver des morceaux de graphène au lieu de suivre le motif de la plaquette sous-jacente et lier avec du strontium et du titane. En tant que solution étonnamment simple, les chercheurs ont ajouté une deuxième couche de graphène.

"Nous avons vu qu'au moment où la première couche de graphène est gravée, des composés d'oxyde se sont déjà formés, donc l'oxygène élémentaire, une fois qu'il forme ces composés souhaités, n'interagit pas aussi fortement avec le graphène, " explique Kim. "Donc, deux couches de graphène font gagner du temps à ce composé pour se former."

Peler et empiler

L'équipe a utilisé son processus récemment modifié pour fabriquer des films à partir de plusieurs matériaux d'oxyde complexes, décoller chaque couche mince de 100 nanomètres au fur et à mesure de sa fabrication. Ils ont également pu empiler des couches de différents matériaux d'oxyde complexes et les coller efficacement ensemble en les chauffant légèrement, produire un flexible, appareil multifonctionnel.

"Il s'agit de la première démonstration d'empilement de plusieurs membranes nanométriques comme des blocs LEGO, ce qui a été impossible car tous les matériaux électroniques fonctionnels existent sous forme de plaquettes épaisses, " dit Kim.

Dans une expérience, l'équipe a empilé des films de deux oxydes complexes différents :ferrite de cobalt, connu pour se dilater en présence d'un champ magnétique, et PMN-PT, un matériau qui génère une tension lorsqu'il est étiré. Lorsque les chercheurs ont exposé le film multicouche à un champ magnétique, les deux couches ont travaillé ensemble pour se dilater et produire un petit courant électrique.

Les résultats démontrent que l'épitaxie à distance peut être utilisée pour fabriquer de l'électronique flexible à partir d'une combinaison de matériaux aux fonctionnalités différentes, qui étaient auparavant difficiles à combiner en un seul appareil. Dans le cas de la ferrite de cobalt et du PMN-PT, chaque matériau a un motif cristallin différent. Kim dit que les techniques d'épitaxie traditionnelles, qui font pousser des matériaux à haute température sur une plaquette, ne peut combiner des matériaux que si leurs motifs cristallins correspondent. Il dit qu'avec l'épitaxie à distance, les chercheurs peuvent faire un nombre illimité de films différents, en utilisant différents, gaufrettes réutilisables, puis empilez-les ensemble, quel que soit leur motif cristallin.

"La grande image de ce travail est, vous pouvez combiner des matériaux totalement différents au même endroit, " dit Kim. "Maintenant, vous pouvez imaginer une mince, dispositif souple constitué de couches comportant un capteur, système informatique, une pile, une cellule solaire, afin que vous puissiez avoir un flexible, autoalimenté, puce empilée de l'Internet des objets."

L'équipe explore diverses combinaisons de films semi-conducteurs et travaille au développement de dispositifs prototypes, comme quelque chose que Kim appelle un "tatouage électronique" - un puce transparente qui peut se fixer et se conformer au corps d'une personne pour détecter et relayer sans fil les signes vitaux tels que la température et le pouls.

"Nous pouvons maintenant faire mince, souple, électronique portable avec la plus haute fonctionnalité, " dit Kim. " Il suffit de décoller et d'empiler. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.