英國的研究人員展示了一種乾式接觸印刷系統,能將多個矽奈米線移植於軟性的大型基板上,從而開發出能夠有效控制其電子特性的高性能超薄電子層。這為大規模使用軟性和可彎曲的電子產品開啟了新機會,包括物聯網(IoT)和智慧城市等應用。

英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)教授Ravinder Dahiya在接受《EE Times》採訪時指出,「單晶矽是一種硬脆的材料,一旦將它彎曲,就會裂開。因此,我們開發了一種新的客製、閉路接觸式印刷系統,能夠印刷多個100奈米(nm)矽奈米線接腳,在軟性基板上形成電子層。這種電子材料能直接接觸基板,因此是乾式印刷而非濕式印刷。我們可以實現高產量的一致奈米線,在較大面積上產生均勻的響應。」

這項研究由Ravinder Dahiya主導的可彎曲電子與感測技術(Bendable Electronics and Sensing Technologies;BEST)研究小組進行,最新成果就發表在《微系統和奈米工程》(Microsystems and Nanoengineering)期刊。這一團隊已經開發出許多創新技術,包括太陽能發電的軟性「電子皮膚」,可用於打造義肢,以及可伸縮的健康感測器,用於監測用戶汗水的pH值。

Nanowires 1

將矽奈米線用於大面積電子產品的一大挑戰在於實現均勻的元件響應。較小尺寸的奈米線也增加了與整合有關的難度,特別是在非傳統軟性基板上打造大型電子產品。這些問題都需要新的方法來合成具有均勻長寬比的半導體奈米線,並以由其製成的電子層組合對準的奈米線,從而在大面積上打造出具有均勻響應的元件。

在其研究論文中,研究人員介紹如何使用矽晶和氧化鋅來製造半導體奈米線,並將其印刷在軟性基板上,用於開發電子元件和電路。在此過程中,他們發現這種方式能夠產生均勻的矽奈米線——這些矽奈米線均以相同的方向排列,而不是像類似的氧化鋅製程一樣隨機的樹枝狀排列。

文中還描述了這種接觸式印刷方法,包括如何從對齊的奈米線獲得這種電子層,以及使用整體奈米線組合來開發元件。相較於基於單奈米線的元件,統計上來看,奈米線組合的尺寸變化更少得多,因此,基於多奈米線的元件在大面積上較具有可接受的響應均勻度。

該研究團隊還進行了一連串的實驗,使用他們在實驗室中開發和製造的印刷元件,將導線印刷到軟性的表面上。經過一連串的實驗後,他們成功地找到壓力和速度的最佳組合,能夠有效地一次又一次地印刷奈米線。

Nanowire Elasticity

Dahiya教授補充說:「這篇論文象徵著邁向新一代軟性和印刷電子產品的重要里程碑。為了讓未來的電子裝置融合更多的靈活性於其設計中,業界需要更節能高效的電子元件,使其能更經濟實惠地在較大表面積上進行生產。

「隨著這一發展,我們已經走了很長一段路才達到這樣的成果。」Dahiya說:「這種接觸式印刷系統讓我們能夠可靠地製造具有高可重複性的軟性電子元件,並朝著創造各種可彎曲、軟性且可扭曲的新裝置邁出令人振奮的一步。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Silicon Nanowires Used to Create Large-Area Bendable Electronics,by Nitin Dahad)