Des chercheurs de la Case Western Reserve University ont remporté une subvention de 1,2 million de dollars pour développer une technologie permettant de produire en série des appareils électroniques flexibles à un tout nouveau niveau de petite taille.

Alors qu'ils conçoivent de nouveaux outils et de nouvelles techniques pour rendre les fils plus étroits qu'une particule de fumée, ils créent également des moyens de les construire dans des matériaux flexibles et d'emballer l'électronique dans des couches imperméabilisantes de plastiques durables.

L'équipe d'ingénieurs, qui se spécialisent dans différents domaines, vise finalement à construire une électronique flexible qui s'adapte aux réalités de la vie :des capteurs de surveillance de la santé qui peuvent être portés sur ou sous la peau et des appareils électroniques pliables aussi minces qu'une feuille de film plastique. Et, plus loin sur la route, des électrodes de stimulation nerveuse implantables qui permettent aux patients de reprendre le contrôle de la paralysie ou de maîtriser un membre prothétique.

Voir plus grand, l'équipe pense que la technologie pourrait être utilisée pour produire des rouleaux de panneaux solaires à couche mince qui résistent à des décennies dans les éléments. Les panneaux à couche mince actuels ont une courte durée de vie en raison de l'infiltration entre les couches.

« Le développement commercial des systèmes nanoélectromécaniques est limité par l'accès à des haut rendement - nous l'appelons "débit" - outils de traitement, " a déclaré Christian Zorman, un professeur agrégé de génie électrique et d'informatique et chercheur principal sur la subvention. "Nous essayons de résoudre ce goulot d'étranglement."

Avec cette subvention de quatre ans du programme de nanofabrication évolutif de la National Science Foundation, Zorman et ses collègues pousseront les technologies alternatives qu'ils ont créées pour fabriquer des fils et d'autres structures métalliques de moins de 100 nanomètres, ce qui correspond à environ 1/10e du diamètre d'une particule de fumée.

Actuellement, des dispositifs qui combinent des fonctions électroniques et mécaniques sont fabriqués à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons. Mais les faisceaux d'électrons sont trop énergétiques pour être utilisés sur des plastiques souples et nécessitent un vide très poussé, ce qui limite considérablement le débit, , est coûteux et prend beaucoup de temps – autant d'obstacles à la production de masse.

L'utilisation d'imprimantes à jet d'encre pour construire de petits appareils s'est avérée bon marché et efficace, mais descendre dans les nanomètres a été difficile.

Philippe Feng, professeur assistant en génie électrique et informatique, est spécialisé dans la nanofabrication et les dispositifs. Joao Maia, professeur agrégé de science et d'ingénierie macromoléculaires, est un expert dans la fabrication de polymères nanocouches.

R. Mohan Sankaran, professeur agrégé de génie chimique, développé la technologie pour utiliser les microplasmes comme outil de fabrication. Zorman a passé les deux dernières décennies à développer des techniques utilisées pour construire des dispositifs microélectromécaniques pour des environnements difficiles et des applications biomédicales.

Lorsque Feng et Zorman ont vu le travail de Sankaran, « nous avons réalisé que cela pourrait révolutionner la fabrication à l'échelle nanométrique, " a déclaré Zorman.

Un plasma est un état de la matière similaire à un gaz mais une partie est ionisée, c'est-à-dire que les particules gagnent ou perdent des électrons et se chargent. Une étincelle est un exemple de plasma, mais il fait chaud et incontrôlable.

Sankaran fabrique un microplasma contrôlable en ionisant le gaz argon lorsqu'il est pompé hors d'un tube d'une largeur de cheveux. "Le plasma est comme un crayon, " Sankaran a dit, "Vous pouvez l'utiliser pour tracer une ligne ou n'importe quel motif que vous voulez."

Pour descendre au nanomètre, Feng doit faire des pochoirs de fils nanométriques, circuits et autres formes souhaitées. Il utilisera un matériau durable en carbure de silicium que Zorman a développé.

"Pour atteindre 100 nanomètres ou moins, " Feng a dit, "il faut étudier les lois de l'échelle, les matériaux utilisés, et les réactions qu'un microplasme peut induire, telles que les réactions à la surface d'un polymère et à l'intérieur du polymère, et de comparer ce processus côte à côte avec la lithographie par faisceau d'électrons."

Au fur et à mesure qu'ils s'agrandissent, Maia se concentrera sur l'étanchéité de l'électronique contre l'humidité.

"Beaucoup de gens travaillent sur l'électronique flexible, mais le problème est que la durée de vie du produit est courte car l'humidité pénètre et diminue la résistivité, court-circuite ou corrode l'électronique, " dit Maia. " Si vous devez changer votre appareil flexible toutes les deux semaines ou deux mois, ce n'est pas une si bonne chose."

Maia fabriquera des feuilles de polymères comprenant une nanocouche incrustée de sels métalliques, comme le nitrure d'argent ou le chlorure d'or. Ce sont les précurseurs des fils et des structures métalliques nécessaires à la fabrication de l'électronique.

La feuille passera dans une ligne de production et s'arrêtera sous les pochoirs. Un ensemble de microplasmes au-dessus des pochoirs se déclenchera.

Lors d'essais préliminaires sur un morceau de film fixe, les électrons du microplasma traversent le pochoir et pénètrent dans le polymère où ils transforment les sels métalliques en chaînes conductrices de particules métalliques qui forment des fils et des structures, comme de la peinture en aérosol et un pochoir pour former des lettres et des chiffres.

La feuille peut ensuite être plongée dans une solution pour dissoudre les sels métalliques non exposés, à recycler.

D'autres couches ou combinaisons de couches seront ajoutées pour rendre la feuille étanche.

Si plusieurs appareils ou couches d'emballage sont nécessaires, les feuilles peuvent être bouclées tout au long du processus.

Initialement, Maia et Zorman avaient dirigé deux équipes qui prévoyaient de poursuivre cette subvention NSF, mais leur travail va si bien, ils ont décidé de travailler ensemble. Le personnel et les professeurs de l'Institute of Advanced Materials de la Case School of Engineering ont aidé à relier l'équipe.

« Il s'agit d'une proposition véritablement multidisciplinaire, " a déclaré Zorman. " La fabrication de pointe doit l'être. "

La subvention vient juste six semaines après Case Western Reserve, L'Université Carnegie Mellon et le National Center for Defence Manufacturing ont dirigé cinq douzaines d'organisations dans l'Ohio, Pennsylvanie et Virginie-Occidentale en remportant une subvention fédérale de fabrication de 30 millions de dollars. Le nouveau National Additive Manufacturing Innovation Institute, dont les membres ont ajouté 40 millions de dollars supplémentaires de financement, est l'effort pilote d'une initiative ambitieuse visant à transformer la fabrication à travers le pays.