Обычно хрупкие и требующие деликатного обращения кремниевые чипы заставили сгибаться и сворачиваться. Это прокладывает путь к созданию нового поколения гибких электронных устройств.

Растягивающиеся платы можно будет использовать в индивидуальных устройствах контроля состояния человека. Растягивающиеся платы можно будет использовать для создания современных имплантатов мозга, приборов контроля состояния здоровья или «умной» одежды.

Сложное устройство включает сложенные в гармошку складки сверхтонкого кремния, связанного с листами каучука.

В своей публикации в журнале Science, исследователи из США сообщают, что чип работает так же, как и традиционное электронное устройство.

"Кремниевая микроэлектроника была поразительно успешной технологией, которая затронула практически все аспекты нашей жизни", - говорит профессор Джон Роджерс из Университета Иллинойса (Урбана-Чампейн), один из авторов этой статьи.

Но, по его словам, жесткость и хрупкость кремния делали его очень непривлекательным для использования в ряде применений, таких как биомедицинские имплантаты.

"В целом ряде случаев хотелось бы комфортно интегрировать электронное устройство в тело человека – но тело человека не выполнено в форме кремниевой пластины".

Профессор Чженьцян Ма из университета Висконсин-Мэдисон, который также работает над получением гибких силиконовых схем, назвал новое исследование "важным этапом".

"Уже на протяжении многих лет обсуждаются полностью интегрированные и полностью сгибаемые схемы, но никто ранее их не демонстрировал", - рассказал он корреспонденту BBC News. - "Этот случай первый".

Силиконовая волна

Конструкция чипов основывается на предыдущих разработках лаборатории профессора Роджерса.

В 2005 г. его коллектив продемонстрировал растягивающуюся форму отдельного кремниевого кристалла. 

1. Пластмассовый лист соединяется с жесткой подложкой связывающим веществом

2. Создается сложная схема с использованием традиционных технологий создания кремниевых плат

3. Связывающее вещество растворяется, это позволяет снимать схемы, включенные в пластмассовый лист

4. Лист связывается с предварительно напряженным каучуком с созданием сгибаемых кремниевых чипов

"В ходе демонстрации использовались очень тонкие полоски кремния, связанные с каучуком", - дает пояснения профессор Роджерс.

На микроскопическом уровне эти полоски имели волнистую структуру, которая функционировала подобно мехам аккордеона, позволяя осуществлять растягивание в одном направлении.

"Силикон здесь по-прежнему жесткий и хрупкий, как материал с собственной проводимостью, но при такой аккордеонной геометрии, соединенной с каучуком, вся структура становится растяжимой", - сообщил он BBC News.

Используя этот материал, исследователи смогли показать в выгодном свете также и отдельные компоненты гибкой схемы, такие как транзисторы.

В новой работе представлены законченные силиконовые чипы, которые известны как интегральные схемы (IC). Их можно растягивать в двух направлениях  и более сложным образом.

"Для того, чтобы сделать это, нам пришлось сначала сообразить, как сделать всю схему в сверхтонком формате", - объясняет профессор Роджерс.

Коллектив разработал метод, с помощью которого можно создавать готовые схемы с толщиной всего в полтора микрона (миллионная доля метра), т. е. в сотни раз тоньше тех традиционных силиконовых схем, которые используются в персональных компьютерах.

"Такая толщина обеспечивает  степень сгибаемости, которая существенно превосходит все, что когда-либо делалось в области уровня схем в прошлом, нами или кем-либо еще», - сказал он.

Каучуковый сгиб

Тонкие линейные схемы, такие как традиционные чипы, создаются из многослойной структуры различных материалов для формирования проводов и различных компонентов. Глубина различных слоев и их расположение  относительно друг друга, включая хромовый, золотой и кремниевый, имеют решающее значение.

Силиконовые схемы можно оборачивать вокруг криволинейных поверхностей

"Необходимо сконструировать толщины этих материалов таким образом, чтобы то, что называется нейтральной механической плоскостью, покрывало наиболее хрупкий материал", - объясняет профессор Роджерс.

Нейтральной механической плоскостью называется слой материала, в котором напряжение равно нулю.

В однородном веществе такая плоскость находится точно по середине между верхним и нижним слоем, там, где в месте сгибания сжатие и напряжение равны.

Именно таким образом, по словам д-ра Роджерса, и размещают обычно кремний, как самый хрупкий материал.

"Если разместить там схему, то можно будет сгибать всю систему под очень острым углом, и при этом схема не будет испытывать никакого напряжения", - говорит он.

Для создания сворачиваемых чипов такие схемы помещают на полимерную подложку, которая, в свою очередь, связана с временной силиконовой основой.

После нанесения схем силиконовую основу удаляют, и остаются тонкие пленки схем, заключенные в пластмассу.

Затем их соединяют с куском предварительно напряженного каучука. Когда напряжение снимается, каучук принимает прежнюю форму, при этом происходит и соответствующее сгибание схем на поверхности.

"Это приводит к образованию волнообразной геометрии, которая позволяет растягивать всю систему схемы в любом нужном Вам направлении", - говорит д-р Роджерс.

Полученные схемы все еще в какой-то мере грубее высококлассных компьютерных чипов, но, по его словам, у них имеются типичные рабочие параметры «силиконовой пластины», соответствующие размерам компонента.

Мозговая прокладка

Другие компании и исследователи также работают над различными подходами к созданию гибких электронных устройств.

Одним из таких подходов является так называемая "органическая" электроника, также известная как пластмассовая электроника.

Такие шероховатые устройства создают из органических полимеров, и встраивают в гибкие дисплеи из "электронной бумаги". 

Сгибаемые схемы можно использовать в самолетах или в больницах

Тем не менее, они функционируют довольно медленно, и поэтому круг их применений в высокоэффективных устройствах довольно ограничен.

Новая работа предоставляет альтернативу.

"Существует множество применений", - говорит профессор Ма.

В своей работе он исследует возможность использования технологии при производстве самолетов, например, путем создания компактных антенн или же создания применений с обзором на 360 градусов за счет встраивания чипов в поверхность фюзеляжа.

"В некоторых применениях такая форма растягивающихся и сворачиваемых интегральных схем может быть единственно возможным вариантом", - говорит он.

Работая совместно с другими учеными, профессор Роджерс, в основном, занимается медицинскими применениями.

Так, например, он сотрудничает в проекте по разработке «умной» латексной перчатки для хирургов, которая будет измерять во время операций жизненно важные признаки, такие как уровень кислорода в крови.

Другой сферой сотрудничества является разработка листового электронного устройства, которое будет лежать на поверхности мозга и контролировать мозговую активность у эпилептиков.

"Наши усилия в настоящее время в наибольшей степени сосредоточены на применениях", - сказал профессор Роджерс.

Newchemistry.ru