研究人员开发出可折叠、可拉伸的硅电路

光谷子

伊利诺斯大学的研究人员开发了一种新型的可拉伸硅集成电路，这种电路可以紧贴球体、人体表面和机翼等复杂形状，将其包裹起来，并且在拉伸、压缩、折叠和其他极端机械变形情况下电路也可工作，其电学性能不会下降。

该小组称，这种复杂器件由邦定到橡胶片的超薄硅组成，已经展示出与传统电子器件类似的性能。


他们认为，在那些基于晶圆的传统系统无法使用的场合，这种电路会有大量的应用空间，例如将电子器件和传感器集成到人体中。


“由于硅本身的脆性和刚性，有些人认为这些应用无法采用硅材料，也就将其摈弃在视野之外，” John Rogers这样表示，他是伊利诺斯大学材料科学与工程学科的发起教授之一。


Rogers和他的同事已经制备了厚度只有1.5微米的柔性硅和塑性电路。


“通过对电路版图机械布局和结构排布的仔细优化，我们可以在集成电路中使用可完全折叠和拉伸的硅，”Rogers这样介绍，他作为合作者的一篇论文已被《科学》杂志接收，并已刊登在科学快车（Science Express）网站上。


该论文概述了几种柔性系统的设计和制造策略，包括用于人体健康监测和治疗的可穿戴系统，或者可以卷绕在机翼和机身上，用于监控部件结构性能的系统。


在伊利诺斯大学香槟分校的这个团队还与西北大学和新加坡高性能计算研究所的研究人员进行合作，共同研究这一概念。


“我们已经超越了仅仅分离材料元素和完成单个器件的阶段，目前可以制造的集成电路，可以满足几乎任意复杂程度系统的要求，”Rogers说。


为了获得可完全拉伸的集成电路，研究人员首先在刚性载体基板上覆盖一层高分子牺牲层。他们在牺牲层上沉积非常薄的塑性涂层，这一涂层最终将支持集成电路。


之后采用传统的平面器件技术制作电路元件，并且采用印刷方法集成对准的单晶硅纳米条带阵列作为半导体材料


之后，洗去高分子牺牲层，这样塑性涂层和集成电路就键和到一片预先加载应变的硅橡胶上。最后，释放应变，橡胶会弹回到起始状态，也就完成了对电路层的拉应力加载。


该应力同时也会引起复杂的皱褶图形，这样的几何形状允许将电路在不同方向上进行折叠或者拉伸操作，因而可形成复杂的形状，或在使用时紧贴其他表面发生机械形变。


研究人员制备出由晶体管、振荡器、逻辑门和放大器组成的IC。该电路显示出极高的可弯曲和可拉伸性能。与制造在传统硅晶圆上类似的电路相比，可拉伸电路显示出相似的电性能。