Ученые создали эластичный кремний

Новый способ растянуть фрагмент монокристаллического кремния (который является очень жестким и хрупким материалом) в 10 раз по сравнению с его первоначальной длиной без использования полимерных подложек предложила группа ученых из Саудовской Аравии. Опубликованные результаты их работы станут важным шагом в направлении создания растягивающихся и складывающихся электронных компонент, в частности, для нужд солнечной энергетики, а также таких структур, как «умная кожа» для проектирования более совершенных роботов и разработки биомедицинских датчиков.

Неорганический монокристаллический кремний является основным строительным компонентом более 90% всех современных технологий. Однако этому материалу свойственна хрупкость и жесткость, поэтому он не может быть растянут без предварительного размещения на полимерной подложке. И даже при использовании подложек он может растянуться лишь в 3,5 раза от первоначальной длины. Все это означает, что кремний не может использоваться без доработки в гибкой электронике – области, которая становится все более важной с появлением так называемого «интернета вещей», носимой электроники, электронной бумаги, гибких дисплеев и искусственной «умной кожи».

До сих пор ученым никак не удавалось создать кремниевые структуры, пригодные для указанных выше применений, поэтому начались поиски альтернативных полупроводниковых материалов, которые могли бы обеспечить производство электронных компонент, не уступающих по своим параметрам кремниевым. К сожалению, пока этот процесс не увенчался успехом. Найденные полупроводниковые материалы обладают собственными недостатками.

В поисках структуры, которая могла бы использоваться во всех перечисленных сферах, группа исследователей из King Abdullah University of Science and Technology (KAUST, Саудовская Аравия) успешно изготовила сеть из гексагональных фрагментов монокристаллического кремния, соединенных между собой спиральными пружинами, которая может растягиваться в 10 раз относительно своей первоначальной длины (увеличивая при этом в 30 раз свою площадь). Стоит отметить, что в рамках работы сходная методика была успешно применена и к другим неорганическим полупроводникам.

Создание гексагональной сети команда начала с симуляции, построенной на методе конечных элементов (Finite Element Method, FEM), которая позволила понять, как различные сетевые соединения фрагментов кремния ведут себя под нагрузкой (при растяжении и иной реконфигурации). После того, как они остановились на гексагональной структуре, для создания первого образца были задействованы литографические методики, совместимые с обычными техниками производства CMOS. Надо отметить, что предложенный учеными метод изготовления сети подразумевает использование всего одного шага, т.е. он может быть легко масштабирован на коммерческие проекты.

Список потенциальных приложений разработки огромен. Это и сети электронных и оптоэлектронных датчиков, и «умная» кожа для роботов, и носимая гибкая электроника, и биоинтегрированные медицинские устройства (к примеру, биомедицинские датчики).