211service.com
Hoogwaardig flexibel silicium
Dezelfde hoogwaardige vorm van silicium die in veel nieuwe computers wordt gebruikt, kan binnenkort op een stuk plastic worden opgerold. Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin, Madison, hebben aangetoond dat het type hogesnelheidssilicium dat de afgelopen jaren in Intel's microprocessors is gebruikt, gespannen silicium genoemd, dun genoeg kan worden gemaakt om op een flexibel substraat te worden overgebracht.
De mogelijkheid om platen van gespannen siliciumtransistors op kneedbare materialen te plaatsen, zou volgens de onderzoekers kunnen leiden tot hoogwaardige flexibele displays en zonnecellen - of uiteindelijk zelfs tot verbeterde protheses of geautomatiseerde kleding.
Flexibele elektronica is voor het grootste deel gemaakt van organische polymeren, die, hoewel ze buigzaam zijn, relatief slechte prestaties leveren. Daarom hebben onderzoekers silicium - het standaardmateriaal in de elektronica - een tweede blik gegeven als een manier om buigzame circuits te maken (zie Rekbaar Silicium).
Hoewel silicium meestal bros is, kan het buigen als het dun genoeg is. De onderzoekers van Wisconsin wilden met name flexibele vormen van gespannen silicium maken, een type hoogwaardig silicium dat onlangs door Intel op de markt is gebracht. Elektronen gaan 80 procent sneller door gespannen silicium dan in conventioneel silicium, en transistors schakelen tot ongeveer 30 procent sneller in en uit.
Tot nu toe was gespannen silicium echter veel te omvangrijk - micrometer dik - om te buigen. De onderzoekers van Wisconsin, geleid door Max Lagally , hoogleraar materiaalkunde, vond een manier om het materiaal uit te dunnen tot een paar honderd nanometer, en om het ook effectief van een siliciumwafel te verwijderen, waardoor het kan worden gebruikt in flexibele en snelle elektronica. (Hun werk wordt beschreven in een recent nummer van Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .)
Gespannen silicium wordt meestal vervaardigd met behulp van meerdere lagen van een materiaal dat siliciumgermanium wordt genoemd en dat grotere ruimten tussen de atomen heeft dan silicium. Elke laag siliciumgermanium wordt chemisch gewijzigd om geleidelijk meer ruimte tussen de atomen te introduceren. Als laatste wordt er een dun laagje silicium op aangebracht. Wanneer de siliciumatomen (van nature dichter bij elkaar dan de siliciumgermaniumatomen) in contact komen met de bovenste laag van siliciumgermanium, spannen ze zich om zich eraan te hechten. Als je het siliciumrooster spant, kun je de elektronenmobiliteit en prestaties in je apparaat verbeteren, zegt John Rogers , hoogleraar materiaalkunde aan de Universiteit van Illinois, Urbana.
Maar door meerdere lagen siliciumgermanium te gebruiken, wordt het apparaat te dik om te buigen. Om het gespannen silicium dun genoeg te maken om te buigen, beginnen Lagally en zijn team eerst met een siliciumwafel met daarop twee extra lagen: een siliciumoxidelaag en een dunne laag silicium. Bovenop de dunne laag silicium brengen ze slechts één laag siliciumgermanium aan, slechts 150 nanometer dik. Omdat de siliciumlaag onder het siliciumgermanium is gefixeerd, knijpen de siliciumgermaniumatomen, hoewel ze breder zijn dan silicium, samen en worden ze samengedrukt om zich aan te passen aan de siliciumlaag eronder. Vervolgens voegen de onderzoekers een dunne laag silicium toe bovenop het siliciumgermanium, waardoor een sandwich van 250 nanometer dik ontstaat.
Op dit punt, legt Lagally uit, is er geen spanning in het silicium; er is alleen compressie in het siliciumgermanium. Om spanning toe te voegen, wordt de sandwich van de siliciumwafel verwijderd door deze te baden in fluorwaterstofzuur, dat het siliciumoxide aanvreet - de laag die de sandwich met de wafel verbindt. Als het apparaat eenmaal vrij is, wordt de afstand tussen de atomen in alle lagen enigszins aangepast: de siliciumgermaniumatomen, voorheen samengeperst, worden losser en de siliciumatomen, die voorheen een normale afstand hadden, ontwikkelden spanning.
Door het apparaat van de wafer te verwijderen, wordt niet alleen het silicium belast, maar kan het ook worden overgebracht naar een ander materiaal, zegt Lagally. Van hieruit wordt het apparaat in een flexibel materiaal geperst, waar het met behulp van speciale lijm aan vastplakt.
Sigurd Wagner , hoogleraar elektrotechniek aan de Princeton University, zegt dat het werk een goed uitgevoerd voorbeeld is van het overbrengen van hoogwaardige apparaten naar een substraat van lage kwaliteit. Belangrijk, zegt hij, het bewijst dat gespannen silicium zijn eigenschappen behoudt na het overdrachtsproces, iets dat nog niet eerder was aangetoond. Bovendien, zegt Rogers, kan het proces worden toegepast op de meeste anorganische materialen, van gespannen silicium dat wordt gebruikt in microprocessors tot galliumarsenidetransistoren in lichtgevende diodes.
Lagally verwacht dat dit type flexibel, snel silicium binnen enkele jaren zijn weg zal vinden naar commerciële producten, hoogstwaarschijnlijk in eerste instantie in flexibele beeldvormingssystemen en hoogwaardige beeldschermen.