L'image optique d'un réseau de transistors à couche mince flexible et étirable recouvrant une balle de baseball montre la robustesse mécanique de ce matériau de fond de panier pour les futurs appareils électroniques en plastique. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
(PhysOrg.com) -- L'impression de circuits électroniques sur des fonds de panier qui sont à la fois flexibles et extensibles promet de révolutionner un certain nombre d'industries et de rendre les « appareils intelligents » presque omniprésents. Parmi les applications envisagées figurent les tablettes électroniques qui pourraient être repliées comme du papier, revêtements qui pourraient surveiller les surfaces pour les fissures et autres défaillances structurelles, des pansements médicaux qui pourraient traiter les infections et des emballages alimentaires qui pourraient détecter la détérioration. Des cellules solaires aux stimulateurs cardiaques en passant par les vêtements, la liste des applications intelligentes pour ce qu'on appelle "l'électronique plastique" est à la fois flexible et extensible. D'abord, cependant, les fonds de panier appropriés doivent être produits en série de manière rentable.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE ont mis au point une nouvelle technique peu coûteuse et prometteuse pour la fabrication de fonds de panier flexibles et étirables à grande échelle à l'aide de solutions de nanotubes de carbone enrichis en semi-conducteurs qui produisent des réseaux de transistors à couche mince avec de superbes propriétés électriques, y compris une mobilité des porteurs de charge qui est considérablement plus élevée que celle des homologues organiques. Pour démontrer l'utilité de leurs fonds de panier en nanotubes de carbone, les chercheurs ont construit une peau électronique artificielle (e-skin) capable de détecter et de répondre au toucher.
"Avec notre technologie de traitement basée sur des solutions, nous avons produit des fonds de panier à matrice active mécaniquement flexibles et extensibles, basé sur des réseaux entièrement passivés et hautement uniformes de transistors à couche mince fabriqués à partir de nanotubes de carbone à paroi unique qui couvrent uniformément des zones d'environ 56 centimètres carrés, " dit Ali Javey, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie (UC) Berkeley. « Cette technologie, en combinaison avec l'impression à jet d'encre de contacts métalliques, devrait fournir à l'avenir une fabrication sans lithographie d'électronique flexible et extensible à faible coût. »
Javey est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Lettres nano qui décrit ce travail intitulé "Carbon Nanotube Active-Matrix Backplanes for Conformal Electronics and Sensors." Les co-auteurs de cet article étaient Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies et Ronald Fearing.
(À gauche) Image optique d'une peau électronique avec un objet en forme de L placé sur le dessus. (À droite) Cartographie de pression bidimensionnelle obtenue à partir de l'objet en forme de L. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
Avec la demande si élevée d'électronique en plastique, la recherche et le développement dans ce domaine ont été intenses au cours de la dernière décennie. Les nanotubes de carbone à paroi simple (SWNT) sont devenus l'un des matériaux semi-conducteurs les plus compétitifs pour l'électronique plastique, principalement parce qu'ils présentent une grande mobilité pour les électrons - une mesure de la vitesse à laquelle un semi-conducteur conduit l'électricité. Cependant, Les SWNT peuvent prendre la forme d'un semi-conducteur ou d'un métal et une solution SWNT typique se compose de deux tiers de tubes semi-conducteurs et d'un tiers de tubes métalliques. Ce mélange donne des réseaux de nanotubes qui présentent de faibles rapports de courant marche/arrêt, ce qui pose un problème majeur pour les applications électroniques, comme l'explique l'auteur principal de l'article NanoLetters, Takahashi.
"Un rapport courant marche/arrêt aussi élevé que possible est essentiel pour réduire l'interruption des pixels à l'état éteint, " dit-il. " Par exemple, avec notre appareil e-skin, quand on cartographie la pression, nous voulons obtenir le signal uniquement à partir du pixel à l'état actif sur lequel la pression est appliquée. En d'autres termes, nous voulons minimiser le courant aussi petit que possible des autres pixels qui sont censés être éteints. Pour cela, nous avons besoin d'un rapport de courant marche/arrêt élevé."
Pour faire leurs fonds de panier, Javey, Takahashi et leurs co-auteurs ont utilisé une solution SWNT enrichie à 99 % de tubes semi-conducteurs. Cette solution hautement purifiée a fourni aux chercheurs un rapport marche/arrêt élevé (environ 100) pour leurs fonds de panier. Travailler avec un substrat mince de polyamide, une
polymère à haute résistance avec une flexibilité supérieure, ils ont découpé au laser un motif en nid d'abeille de trous hexagonaux qui ont également rendu le substrat étirable. Les trous ont été découpés avec un pas fixe de 3,3 millimètres et une longueur de côté de trou variée allant de 1,0 à 1,85 millimètres.
« Le degré auquel le substrat pouvait être étiré est passé de 0 à 60 % à mesure que la longueur des côtés des trous hexagonaux passait à 1,85 mm, " dit Takahashi. " Dans le futur, les degrés d'extensibilité et de directionnalité doivent être réglables soit en modifiant la taille du trou, soit en optimisant la conception du maillage."
Les fonds de panier ont été complétés par le dépôt sur les substrats de couches d'oxydes de silicium et d'aluminium suivi des SWNTs enrichis en semi-conducteurs. Les fonds de panier de transistors à couches minces SWNT résultants ont été utilisés pour créer une peau électronique pour la cartographie de la pression spatiale. L'e-skin se composait d'un réseau de 96 pixels de capteur, mesurant 24 centimètres carrés de superficie, chaque pixel étant activement contrôlé par un seul transistor à couche mince. Pour démontrer la cartographie de la pression, un poids en forme de L a été placé sur le dessus du réseau de capteurs de peau électronique avec une pression normale d'environ 15 kilo Pascals (313 livres par pied carré).
« Dans le régime de fonctionnement linéaire, la sensibilité mesurée du capteur reflète une amélioration par trois par rapport aux précédents capteurs de peau électronique à base de nanofils signalés l'année dernière par notre groupe, " dit Takahashi. " Cette sensibilité améliorée est le résultat de l'amélioration des performances de l'appareil des fonds de panier SWNT. À l'avenir, nous devrions être en mesure d'étendre notre technologie de fond de panier en ajoutant divers capteurs et/ou d'autres composants de dispositifs actifs pour permettre des peaux artificielles multifonctionnelles. En outre, le fond de panier SWNT pourrait être utilisé pour des affichages flexibles."
