211service.com
Højtydende fleksibelt silicium
Den samme højkvalitets form for silicium, som bruges inde i mange nye computere, kan snart rulles sammen på et ark plastik. Forskere fra University of Wisconsin, Madison, har vist, at den type højhastighedssilicium, der er brugt i de sidste par år i Intels mikroprocessorer, kaldet strained silicium, kan gøres tynd nok til at blive overført til et fleksibelt substrat.
Evnen til at sætte plader af anstrengte siliciumtransistorer på formbare materialer kan føre til fleksible skærme og solceller af høj kvalitet - eller i sidste ende endda til forbedrede proteser eller computerstyret tøj, ifølge forskerne.
For det meste er fleksibel elektronik lavet af organiske polymerer, som, selvom de er bøjelige, giver en relativt dårlig ydeevne. Så forskere har givet silicium – standardmaterialet inden for elektronik – et ekstra look som en måde at lave bøjelige kredsløb på (se Stretchable Silicon).
Selvom silicium normalt er skørt, kan det bøje, når det er tyndt nok. Især satte Wisconsin-forskerne sig for at lave fleksible former for anstrengt silicium, en type højtydende silicium, der for nylig blev kommercialiseret af Intel. Elektroner bevæger sig gennem anstrengt silicium 80 procent hurtigere end i konventionelt silicium, og transistorer tænder og slukker op til omkring 30 procent hurtigere.
Indtil nu har anstrengt silicium dog været alt for omfangsrigt - mikrometer tykt - til at bøje. Wisconsin-forskerne, ledet af Max Lagally , professor i materialevidenskab, fandt en måde at udtynde materialet til et par hundrede nanometer, samt effektivt at fjerne det fra en siliciumwafer, hvilket tillader dets brug i fleksibel og højhastighedselektronik. (Deres arbejde er beskrevet i et nyligt nummer af Journal of Applied Physics .)
Anspændt silicium fremstilles typisk ved hjælp af flere lag af et materiale kaldet siliciumgermanium, som har større mellemrum mellem sine atomer end silicium. Hvert lag siliciumgermanium er kemisk ændret for gradvist at indføre mere plads mellem atomerne. Til sidst lægges et tyndt lag silicium ovenpå. Når siliciumatomerne (naturligt placeret tættere på hinanden end siliciumgermanium-atomerne) kommer i kontakt med det øverste lag af siliciumgermanium, anstrenger de sig for at binde sig til det. Hvis du belaster siliciumgitteret, så kan du forbedre elektronmobiliteten og ydeevnen i din enhed, siger John Rogers , professor i materialevidenskab ved University of Illinois, Urbana.
Men ved at bruge flere lag siliciumgermanium bliver enheden for tyk til at bøje. For at gøre det anstrengte silicium tyndt nok til at bøje sig, starter Lagally og hans team først med en siliciumwafer med to ekstra lag på toppen: et siliciumoxidlag og et tyndt lag silicium. Oven på det tynde lag silicium påfører de kun ét lag siliciumgermanium, kun 150 nanometer tykt. Da siliciumlaget under siliciumgermanium er fikseret, klemmer siliciumgermanium-atomerne sig sammen, mens de er bredere end silicium, og komprimeres for at tilpasse sig siliciumlaget under det. Derefter tilføjer forskerne et tyndt lag silicium oven på siliciumgermaniumet og danner en sandwich 250 nanometer tyk.
På dette tidspunkt, forklarer Lagally, er der ingen belastning i siliciumet; der er kun kompression i silicium germanium. For at øge belastningen fjernes sandwichen fra siliciumwaferen ved at bade den i flussyre, som tærer på siliciumoxidet - det lag, der forbinder sandwichen med waferen. Når enheden er fri, justeres afstanden mellem atomerne i alle lagene en smule: Siliciumgermanium-atomerne, der tidligere var komprimeret, løsner sig, og siliciumatomerne, som før havde normal afstand, udviklede belastning.
At fjerne enheden fra waferen tilføjer ikke kun belastning til silicium, men gør det også muligt at overføre det til et andet materiale, siger Lagally. Herfra presses apparatet ind i et fleksibelt materiale, som det klæber til ved hjælp af speciel lim.
Sigurd Wagner , professor i elektroteknik ved Princeton University, siger, at arbejdet er et veludført eksempel på at overføre højkvalitetsenheder til et substrat af lav kvalitet. Vigtigt, siger han, beviser det, at anstrengt silicium bevarer sine egenskaber efter overførselsprocessen, noget der ikke var blevet vist før. Derudover, siger Rogers, kan processen være anvendelig på de fleste uorganiske materialer, fra anstrengt silicium brugt i mikroprocessorer til galliumarsenidtransistorer i lysemitterende dioder.
Lagally forventer, at denne type fleksible højhastighedssilicium vil finde vej til kommercielle produkter inden for få år, højst sandsynligt i første omgang i fleksible billedsystemer og højkvalitetsskærme.