Растяжимые электронные системы необходимы для создания внедряемой в одежду и био-интегрированной электроники. Авторы работы спроектировали и изготовили схему из кремниевых компонентов гексагональной формы, соединенных между собой  спиральными пружинами. Это позволило сформировать ультрарастяжимое устройство, способное принимать самые ассиметричные формы.  Растяжение данной системы достигает более 1000%, при увеличении площади до 30 раз.

 Как правило, для растяжимых систем электроники используют материалы на основе полимерных композитов. Однако, неорганический кремний в настоящее время является главным материалом для 90% электроники. Поэтому исследователи решили создавать растяжимую систему из кремниевых компонентов. Авторы опубликовали результаты своей работы в журнале Applied Physics Letters.

В процессе выбора конструкции гибкого кремниевого компонента для оценки распределения деформаций и возможных слабых мест был проведен анализ методом конечных элементов. Для простоты рассчитывались единичные спирали. Было замечено, что особенно высокие напряжения оказываются в начале пружины и поэтому для уменьшения этого эффекта были предложены змеевидные пружины. Благодаря этому усилие, необходимое для сдвига, было снижено вдвое (рис. 1).

 

Рис. 1. Анализ методом конечных элементов распределения деформации вдоль пружинных конструкций.

Процесс производства основан на обычных технологиях изготовления микроструктур. Технология изготовления включала четыре последовательных этапа. Во-первых, на кремний на подложке из оксида кремния, наносили тонкий слой Ti / Au. Затем с помощью фотолитографии и ионного травления получали гексагональные структуры, соединенные спиралями. Далее слой кремния подвергался травлению до уровня диоксида кремния, удалялся слой Ti / Au и полученные кремниевые структуры обрабатывали в парах фтористоводородной кислоты.

Рис. 2. Фотографии массива из шестиугольников со стороной 800 мкм, соединенных одиночными спиралями длиной 5 мкм спиралями длиной 5 мкм (f); Фотографии массива из шестиугольников со стороной 800 мкм, соединенных двойными спиралями длиной 2 мкм (g)

Увеличение длины при растяжении составило (рис. 3): для шестиугольников с одиночными спиралями - 945,5% (исходная длина: 1,1 мм, конечная длина: ~11.5 мм) и для шестиугольников с двойными спиралями 1377,3% (исходная длина: 440 мкм, конечная длина: ~6.5 мм).

 

Рис. 3. Растяжение изготовленных образцов.

Таким образом, исследователи представили дизайн ультрарастяжимого монолитного монокристаллического кремния для создания внедряемой в одежду и био-интегрированной электроники.

Источник: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/105/15/10.1063/1.4898128

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта