Los ingenieros de Stanford han desarrollado un procedimiento mejorado para la fabricación de circuitos flexibles que utilizan transistores de nanotubos de carbono, un desarrollo que allana el camino para una nueva generación de dispositivos electrónicos flexibles. (Bao Lab / Universidad de Stanford)
Ingenieros le encantaría crear dispositivos electrónicos flexibles, como los lectores electrónicos que podrían ser doblados para caber en un bolsillo. Un enfoque implica el diseño de circuitos basados en fibras electrónicos, conocidos como nanotubos de carbono (CNT), en lugar de los chips de silicio rígidos.
Pero la fiabilidad es esencial. La mayoría de los chips de silicio se basan en un tipo de diseño de circuito que les permite funcionar sin problemas incluso cuando el dispositivo experimenta fluctuaciones de energía. Sin embargo, es mucho más difícil hacerlo con los circuitos de la CNT.
Pero ahora, un equipo de la Universidad de Stanford ha desarrollado un proceso para crear los chips flexibles que puedan tolerar las fluctuaciones de energía de la misma forma que los circuitos de silicio.
"Esta es la primera vez que alguien ha diseñado circuitos CNT flexibles que tienen tanto una alta inmunidad al ruido eléctrico y bajo consumo de energía", dijo Zhenan Bao, profesor de ingeniería química en Stanford.
El Bao Lab reportó sus hallazgos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Huiliang (Evan) Wang, un estudiante graduado en el laboratorio de Bao, y Peng Wei, un postdoc anterior en el laboratorio de Bao, fueron los autores principales del artículo. El equipo de Bao Yi Cui también incluyó, profesor asociado de ciencias de los materiales en Stanford, y Hye Ryoung Lee, un graduado estudiante en su laboratorio.
En principio, los nanotubos de carbono debe ser ideal para la fabricación de circuitos electrónicos flexibles. Estos filamentos de carbono ultra-delgadas tienen la fuerza física para tomar el desgaste de la flexión y la conductividad eléctrica para realizar cualquier tarea electrónica.
Pero hasta este reciente trabajo del equipo de Stanford, circuitos flexibles CNT no tenían la fiabilidad y potencia-eficiencia de los chips de silicio rígidos.
Aquí está la razón. Con el tiempo, los ingenieros han descubierto que la electricidad puede viajar a través de los semiconductores de dos maneras diferentes. Puede saltar de agujero positivo agujero positivo, o puede empujar a través de un montón de electrones negativos, como un collar de cuentas. El primero tipo de semiconductor se denomina de tipo P y la segunda un tipo N.
Lo más importante, los ingenieros descubrieron que los circuitos basados en una combinación de tipo P y los transistores de tipo N realizar de forma fiable, incluso cuando se producen fluctuaciones de energía, y también consumen mucho menos energía. Este tipo de circuito con tanto de tipo P y tipo N transistores se llama un circuito complementario.
Durante los últimos 50 años, los ingenieros han convertido en expertos en la creación de esta mezcla ideal de las vías de conducción por el cambio de la estructura atómica de silicio a través de la adición de pequeñas cantidades de sustancias útiles - un proceso llamado "dopaje" que es conceptualmente similar a lo que hicieron nuestros antepasados miles de años atrás, cuando se agitan estaño en cobre fundido para crear bronce.
El desafío que enfrenta el equipo de Stanford fue que los nanotubos de carbono son semiconductores de tipo P predominantemente y no había manera fácil de dopar estos filamentos de carbono para agregar características de tipo N.
El artículo de PNAS explica cómo los ingenieros de Stanford superaron este reto. Trataron a los CNT con un dopante química que desarrollaron conocidos como DMBI. Utilizaron una impresora de inyección de tinta para depositar esta sustancia en los lugares precisos en el circuito.
Esto marcó la primera vez que un circuito CNT programable se ha dopado para crear una mezcla PN que puede funcionar de forma fiable a pesar de las fluctuaciones de energía y con bajo consumo de energía.
El proceso de Stanford también tiene alguna aplicación potencial de los nanotubos de carbono rígidos. Aunque otros ingenieros han dopado previamente CNT rígidas para crear esta inmunidad al ruido eléctrico, el proceso de Stanford precisa y afinada supera a estos esfuerzos previos, lo que sugiere que podría ser útil para los circuitos de la CNT a la vez flexible y rígido.
Bao ha centrado su investigación sobre nanotubos de carbono flexibles, que compiten con otros materiales experimentales, tales como plásticos especialmente formulados, para convertirse en la base para la electrónica flexibles, al igual que el silicio ha sido la base para la electrónica rígidos.
Como material relativamente nuevo, los nanotubos de carbono están jugando para ponerse al día a los plásticos, que están más cerca de la utilización del mercado de masas para cosas tales como las pantallas de visualización flexibles. El proceso de dopaje Stanford mueve CNT flexibles más cerca hacia la comercialización, ya que muestra cómo crear la mezcla PN, y las mejoras resultantes en la fiabilidad y el consumo de energía, ya presente en los circuitos de plástico.
Aunque queda mucho por hacer para que los CNT comercial, Bao dijo que cree que estos filamentos de carbono son el futuro de la electrónica flexible, ya que son lo suficientemente fuertes como para doblar y estirar, al mismo tiempo ser capaz de ofrecer un rendimiento más rápido que los circuitos de plástico.
"CNT ofrecen los mejores atributos físicos y electrónicos a largo plazo", dijo Bao.
Tom Abate es el director asociado de comunicaciones de la Universidad de Stanford Engineering.
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