Ученые из отдела материаловедения Индийского института науки (IISc) разработали сверхгибкий композитный полупроводниковый материал, который может найти применение в гибких или изогнутых дисплеях следующего поколения, складных телефонах и носимой электронике. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Традиционные полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, которые являются строительными блоками большинства электронных схем, используемые в производстве дисплеев, изготавливаются либо из аморфного кремния, либо из аморфных оксидов, ни один из которых не является гибким или устойчивым к деформации. Добавление полимеров к оксидным полупроводникам может повысить их гибкость, но существует предел тому, сколько можно добавить без ущерба для характеристик полупроводника.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies, научные специалисты из Индии нашли способ изготовления композита, содержащего значительное количество полимера (до 40% от веса материала) с использованием технологии растворного процесса, в частности струйной печати. Следует отметить, что в прежних исследованиях сообщалось о добавлении полимера максимум до доли в 1-2%.
Новый подход позволил при добавлении полимера сохранить неизменными рабочие характеристики оксидного полупроводника. Добавление большого количества полимера также сделало композитный полупроводник очень эластичным и складным.
Композитный полупроводник, разработанный в IISc, состоит из двух материалов: водонерастворимого полимера (такого как этилцеллюлоза), который обеспечивает гибкость, и оксида индия – полупроводника, который обеспечивает превосходные свойства переноса электронов.
При разработке нового материала исследователи смешали полимер с предшественником оксида таким образом, чтобы образовались взаимосвязанные каналы оксидных наночастиц (разделенных вокруг по фазам полимерных «островков»), по которым электроны могут двигаться от одного конца транзистора (источника) к другому, обеспечивающий постоянный ток.
Исследователи обнаружили, что ключом к формированию этих связанных путей был выбор правильного типа водонерастворимого полимера, который не смешивается с решеткой оксида при оксидного изготовлении полупроводника. «Это так называемое «фазовое разделение», и образование богатых полимером «островков» помогает остановить появление трещин, делая материал сверхгибким», – пояснил руководитель исследования Субхо Дасгупта, доцент кафедры материаловедения IISc.
Полупроводниковые материалы обычно изготавливаются с использованием таких методов осаждения, как напыление. Вместо этого научная группа Дасгупты использовала струйную печать для нанесения материала на различные гибкие подложки – от пластика до бумаги. В исследовании использовался полимерный материал под названием «Каптон».
Точно так же, как слова и изображения на бумаге, электронные компоненты можно печатать на любой поверхности с помощью специальных функциональных чернил, содержащих электропроводящие, полупроводниковые или изоляционные материалы. Однако при этом остались нерешенными некоторые проблемы.
«Иногда очень сложно получить сплошную и однородную пленку. Поэтому нам пришлось оптимизировать некоторые протоколы, например, предварительный нагрев печатного полупроводникового слоя на каптоновой подложке перед высокотемпературным отжигом», – объяснил первый автор исследования Митта Дивья, бывший выпускник IISc, в настоящее время – постдокторант Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии.
Еще одна проблема заключается в обеспечении нужных условий окружающей среды, в которых можно печатать чернилами. «Если влажность слишком низкая, вы не сможете произвести печать, потому что чернила будут высыхать внутри сопла», – указал Субхо Дасгупта.
Он также добавил, что в будущем такие печатные полупроводники можно будет использовать для изготовления полностью печатных и гибких телевизионных экранов, носимых устройств и больших электронных рекламных щитов наряду с печатными дисплеями на органических светодиодах (OLED). Эти печатные полупроводники будут недорогими и простыми в производстве, что потенциально может произвести революцию в индустрии дисплеев.