Engenheiros misturam e combinam materiais para criar novos eletra´nicos ela¡sticos
Com uma nova técnica, os pesquisadores do MIT podem descascar e empilhar filmes finos de a³xidos meta¡licos - compostos químicos que podem ser projetados para ter propriedades magnanãticas e eletra´nicas exclusivas. Os filmes podem ser misturados e combinados para criar dispositivos eletra´nicos flexaveis e multifuncionais, como peles movidas a energia solar e tecidos eletra´nicos.
No coração de qualquer dispositivo eletra´nico estãoum chip de computador ragido e frio, coberto por uma cidade em miniatura de transistores e outros elementos semicondutores. Como os chips de computador são ragidos, os dispositivos eletra´nicos que eles alimentam, como nossos smartphones, laptops, rela³gios e televisaµes, são igualmente inflexaveis.
Agora, um processo desenvolvido pelos engenheiros do MIT pode ser a chave para a fabricação de eletra´nicos flexaveis com maºltiplas funcionalidades, de maneira econa´mica.
O processo échamado de "epitaxia remota" e envolve o crescimento de filmes finos de material semicondutor em uma bolacha grande e grossa do mesmo material, coberta por uma camada intermedia¡ria de grafeno. Depois que os pesquisadores desenvolvem um filme semicondutor, eles podem removaª-lo da bolacha coberta de grafeno e depois reutiliza¡-la, o que pode ser caro dependendo do tipo de material de que éfeito. Dessa maneira, a equipe pode copiar e remover qualquer número de filmes semicondutores finos e flexaveis, usando a mesma bolacha subjacente.
Em um artigo publicado hoje na revista Nature , os pesquisadores demonstram que podem usar epitaxia remota para produzir filmes independentes de qualquer material funcional. Mais importante, eles podem empilhar filmes feitos com esses diferentes materiais, para produzir dispositivos eletra´nicos flexaveis e multifuncionais.
Os pesquisadores esperam que o processo possa ser usado para produzir filmes eletra´nicos ela¡sticos para uma ampla variedade de usos, incluindo lentes de contato ativadas por realidade virtual, peles movidas a energia solar que se moldam aos contornos do seu carro, tecidos eletra´nicos que respondem ao clima, e outros eletra´nicos flexaveis que atéagora pareciam ser o material dos filmes da Marvel.
"Vocaª pode usar essa técnica para misturar e combinar qualquer material semicondutor para ter a funcionalidade do novo dispositivo, em um chip flexavel", diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia meca¢nica do MIT. "Vocaª pode fabricar eletra´nicos de qualquer forma."
Os co-autores de Kim incluem Hyun S.Kum, Sungkyu Kim, Wei Kong, Kuan Qiao, Peng Chen, Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Chanyeol Choi, Luigi Ranno, Seungju Seo, Sangho Lee, Jackson Bauer e Caroline Ross do MIT , juntamente com colaboradores da Universidade de Wisconsin em Madison, Universidade de Cornell, Universidade da Virgania, Universidade Penn State, Universidade Sun Yat-Sen e Instituto de Pesquisa em Energia Ata´mica da Coranãia.
Tempo de compra
Kim e seus colegas relataram seus primeiros resultados usando epitaxia remota em 2017. Em seguida, eles conseguiram produzir filmes finos e flexaveis de material semicondutor colocando primeiro uma camada de grafeno em uma bolacha espessa e cara, feita a partir de uma combinação de metais exa³ticos. Fluaram a¡tomos de cada metal sobre a bolacha coberta de grafeno e descobriram que os a¡tomos formavam um filme sobre o grafeno, no mesmo padrãode cristal da bolacha subjacente. O grafeno forneceu umasuperfÍcie antiaderente a partir da qual os pesquisadores puderam descascar o novo filme, deixando a bolacha coberta de grafeno, que eles poderiam reutilizar.Â
Em 2018, a equipe mostrou que poderia usar a epitaxia remota para produzir materiais semicondutores a partir de metais nos grupos 3 e 5 da tabela peria³dica, mas não no grupo 4. O motivo, eles descobriram, se reduziu a polaridade ou a s respectivas cargas entre os a¡tomos fluindo sobre o grafeno e os a¡tomos na bolacha subjacente.
Desde essa conclusão, Kim e seus colegas tentaram várias combinações de semicondutores cada vez mais exa³ticas. Conforme relatado neste novo artigo, a equipe usou epitaxia remota para fazer filmes semicondutores flexaveis a partir de a³xidos complexos - compostos químicos feitos a partir de oxigaªnio e pelo menos dois outros elementos. Sabe-se que a³xidos complexos possuem uma ampla gama de propriedades elanãtricas e magnanãticas, e algumas combinações podem gerar corrente quando esticadas fisicamente ou expostas a um campo magnanãtico.
Kim diz que a capacidade de fabricar filmes flexaveis de a³xidos complexos pode abrir as portas para novos dispositivos que armazenam energia, como folhas ou revestimentos que se estendem em resposta a vibrações e produzem eletricidade como resultado. Atéagora, os materiais complexos de a³xido eram fabricados apenas em bolachas ragidas de milametro de espessura, com flexibilidade limitada e, portanto, potencial de geração de energia limitado.
Os pesquisadores tiveram que ajustar seu processo para fazer filmes complexos de a³xido. Eles descobriram inicialmente que, quando tentavam produzir um a³xido complexo, como o titanato de estra´ncio (um composto de estra´ncio, tita¢nio e três a¡tomos de oxigaªnio), os a¡tomos de oxigaªnio que fluaam sobre o grafeno tendiam a se ligar aos a¡tomos de carbono do grafeno, gravando-os pedaço s de grafeno em vez de seguir o padrãosubjacente da bolacha e se ligar com estra´ncio e tita¢nio. Como uma solução surpreendentemente simples, os pesquisadores adicionaram uma segunda camada de grafeno.
“Vimos que, quando a primeira camada de grafeno égravada, os compostos de a³xido já se formaram; portanto, o oxigaªnio elementar, uma vez formado esses compostos desejados, não interage com o grafenoâ€, explica Kim. "Então, duas camadas de grafeno levam algum tempo para que esse composto se forme."
Descasque e empilhe
A equipe usou seu processo recanãm-ajustado para fazer filmes a partir de maºltiplos materiais complexos de a³xido, descolando cada camada fina de 100 nana´metros conforme foi feita. Eles também foram capazes de empilhar camadas de diferentes materiais complexos de a³xido e cola¡-los efetivamente, aquecendo-os levemente, produzindo um dispositivo flexavel e multifuncional.
"Esta éa primeira demonstração de empilhamento de maºltiplas membranas finas como nana´metros, como blocos LEGO, o que foi impossível porque todos os materiais eletra´nicos funcionais existem em uma forma de bolacha espessa", diz Kim.
Em um experimento, a equipe empilhou filmes de dois a³xidos complexos diferentes: ferrita de cobalto, conhecida por se expandir na presença de um campo magnanãtico, e PMN-PT, um material que gera tensão quando esticado. Quando os pesquisadores expuseram o filme multicamada a um campo magnanãtico, as duas camadas trabalharam juntas para expandir e produzir uma pequena corrente elanãtrica.Â
Os resultados demonstram que a epitaxia remota pode ser usada para fabricar eletra´nicos flexaveis a partir de uma combinação de materiais com diferentes funcionalidades, que antes eram difaceis de combinar em um dispositivo. No caso de ferrita de cobalto e PMN-PT, cada material possui um padrãocristalino diferente. Kim diz que as técnicas tradicionais de epitaxia, que cultivam materiais a altas temperaturas em uma bolacha, são podem combinar materiais se seus padraµes cristalinos coincidirem. Ele diz que, com epitaxia remota, os pesquisadores podem fazer vários filmes diferentes, usando bolachas diferentes e reutiliza¡veis, e depois empilha¡-las, independentemente do padrãocristalino.
"A grande figura deste trabalho éque vocêpode combinar materiais totalmente diferentes em um são lugar", diz Kim. "Agora vocêpode imaginar um dispositivo fino e flexavel feito de camadas que incluem um sensor, sistema de computação, bateria, canãlula solar, para que vocêpossa ter um chip empilhado flexavel, auto-alimentado e com a Internet das Coisas."
A equipe estãoexplorando várias combinações de filmes semicondutores e estãotrabalhando no desenvolvimento de prota³tipos, como algo que Kim estãochamando de "tatuagem eletra´nica" - um chip flexavel e transparente que pode se conectar e se adaptar ao corpo de uma pessoa para detectar e transmitir sem fio sinais vitais como temperatura e pulso.
"Agora podemos fabricar eletra´nicos finos, flexaveis e vestaveis com a mais alta funcionalidade", diz Kim. "Apenas descasque e empilhe."
A pesquisa foi resultado de uma estreita colaboração entre os pesquisadores do MIT e da Universidade de Wisconsin em Madison, que foi apoiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avana§ada de Defesa.