半导体三明治可以实现弹性电子产品

真正灵活的电子系统的出现存在一个障碍，而这种系统是先进的人机界面、合成皮革、智能医疗保健等所需的系统，但宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组可能已经找到了解决办法。

宾夕法尼亚州立大学工程科学、力学和生物医学工程系 Dorothy Kuegel 职业发展兼职教授、首席研究员 Cunjian Yu 表示，完全柔性的电子系统需要每个组件都具有灵活性和拉伸能力。 研究人员已经在大多数组件中实现了这种特性，但已知一种易碎的半导体除外。 现在，余和他的国际团队已经开发出一种方法来补偿脆弱的半导体，以推动该领域更接近完全灵活的系统。

他们发表了他们的作品 大自然的电子产品。

“这项技术需要一种灵活、可拉伸的半导体，这是实现集成电路所需的基本材料，而集成电路对于我们的计算机、手机等技术至关重要，但这些半导体本质上是 p 型的，”于说，指的是一种主要通过带正电的移动孔导电的材料。 “然而，互补的集成电子器件、光电子器件、p-n 结器件等等 – 也需要 n 型半导体。”

N型半导体主要通过携带电荷的负电子来导电，与p型半导体结合，可以充当开关，电流沿一个方向流动。 Yu 表示，它们通常是刚性的，需要采取某些策略使它们更具机械拉伸性，以实现具有 n 型半导体的完全可拉伸晶体管和电路。

为了解决这个问题，研究人员将 n 型半导体放置在两种称为弹性体的橡胶材料之间，弹性体是可以拉伸并恢复到原始形状的聚合物。

Yu 说：“我们发现堆叠结构提高了机械拉伸性，并抑制了本质上脆弱的 n 型半导体中微裂纹的形成和传播。”他解释说，微裂纹是 n 型半导体拉伸时出现的小结构缺陷。 它们会降低电气性能并导致机械故障。

Yu 表示，团队对堆栈进行了一系列压力和稳定性测试，所有这些测试都出色地通过了。 他们还使用该堆栈来制造可拉伸晶体管和集成电子系统。

“即使在任一方向拉伸 50%，柔性晶体管也能保持器件的高性能，”Yu 说。 “这些设备还显示出在周围环境中可长期稳定运行超过 100 天。”

Yu 表示，周围环境的稳定性特别有利，因为当暴露于氧气和湿气时，n 型半导体可能会失去效率。 半导体夹在塑料之间，可以有效地密封元件。

余说，此后，团队将继续致力于提高堆叠材料的性能并优化层的形成，以进一步降低微裂纹的密度。

“现在我们有了n型橡胶半导体，很快我们就会有橡胶n型集成电路，”于说。 “这不是很令人兴奋吗？”

余还隶属于宾夕法尼亚州材料研究所和地球科学与矿物学院材料科学与工程系。 该研究由宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系研究生 Shubham Patel 和 Seonmin Jang、目前隶属于韩国釜山国立大学的前博士后研究员 Hyunseok Shim，以及前夏威夷大学学生 Kyosung Sim 和 Yongkao Chang 共同撰写。 王鹏高，东南大学； 和涡轮机 C. 马克斯和安东尼奥·法切蒂，西北大学。 Sim现在隶属于韩国蔚山国立科学技术学院。 Facchetti 还隶属于 Flexterra Inc.。

这项研究得到了海军研究办公室、国家科学基金会、空军科学研究办公室和西北大学材料科学与工程研究中心的支持。