שיטה חדשנית לייצור רכיבי אלקטרוניקה גמישים ודקים במיוחד

העתיד הכה מיוחל של פיתוח רכיבי אלקטרוניקה שאותם ניתן ללבוש על גבי העור או על הבגדים הוכח עד עתה כחמקמק מדי, אולם חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד טוענים כי הם הצליחו להביא לפריצת דרך בתחום זה

מעגלים מודפסים למחשב, שהינם דקיקים במיוחד וגמישים, היו ליעד הנדסי מזה שנים רבות, אולם מהמורות טכניות מנעו הגעה לרמת המזעור הנדרשת מהם לשם השגת ביצועים גבוהים. כעת, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד הצליחו להמציא שיטת ייצור המאפשרת קבלה של טרנזיסטורים גמישים, בעובי חד-אטומי ובאורך של פחות ממאה ננומטרים – קטן פי כמה וכמה מכל טרנזיסטור שפותח עד כה. השיטה מפורטת במאמר שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Electronics.

לאור ההתקדמות שביצעו החוקרים מסטנפורד, הם טוענים כי התחום הנקרא "רכיבי אלקטרוניקה גמישים" ("flextronics") קרוב כעת יותר מתמיד למציאות. רכיבי אלקטרוניקה גמישים מבטיחים ייצור של מעגלי מחשב הניתנים לכיפוף, לעיצוב מבני ופעילות תוך כדי דרישות אנרגיה יעילות, רכיבים שאותם ניתן ללבוש על גבי הגוף ואפילו להשתיל בתוך הגוף על מנת לבצע מספר עצום של משימות הקשורות לבריאות. יתרה מכך, התחום הגואה של "האינטרנט של הדברים", שבו כמעט כל התקן בחיי היומיום שלנו ישולב וימומשק עם רכיבי אלקטרוניקה גמישים, אמור גם הוא להנות מרכיבי אלקטרוניקה כאלה.

מוליכים למחצה דו ממדיים

מבין החומרים המתאימים ביותר לפיתוח של רכיבי אלקטרוניקה גמישים, מוליכים למחצה דו-ממדיים הראו ביצועים טובים בזכות התכונות המכניות והאלקטרוניות שלהן, אפילו בקנה מידה ננומטרי, תכונות שהופכות אותם למועמדים טובים יותר מאשר חומרים אורגניים או חומרים מבוססי סיליקון רגילים. האתגר ההנדסי עד כה היה טמון בכך שייצור התקנים דקים במיוחד כאלה מחייב שימוש בתהליך הזקוק לכמות חום גדולה מדי עבור מצע הפלסטיק – חומרים גמישים אלו פשוט יעברו התכה ויתפרקו במהלך הייצור. הפתרון, מסבירים החוקרים, טמון בביצוע תהליך זה בשלבים, החל ממצע בסיסי שאינו גמיש כלל וכלל. על גבי לוח מוצק של סיליקון מצופה זכוכית החוקרים יצרו שכבה דקה בעובי אטומי על בסיס מוליך למחצה דו-מימדי של מוליבדן דיסולפיד (MoS₂) מכוסה באלקטרודות זהב ננומטריות בעלות תבנית מבנית מוגדרת. לאור העובדה כי שלב זה מתבצע על גבי מצע סיליקון רגיל, הממדים הננומטרים של הטרנזיסטור יכולים להיות מעוצבים בעזרת שיטות עיצוב מתקדמות, תוך קבלת כושר הפרדה שאינו אפשרי אחרת על גבי מצע פלסטיק גמיש. שיטת ייצור השכבות, הידועה בשם "ריבוץ אדים כימיים" (CVD), מאפשרת הוספה של שכבה אטומית אחת בלבד שלMoS₂ בכל פעם. השכבה הסופית המתקבלת היא בעובי של שלושה אטומים בלבד, אולם היא מחייבת טמפרטורה של 850 מעלות צלזיוס על מנת שתפעל כראוי. לשם השוואה, המצע הגמיש המוכר – המורכב מפוליאימיד (פלסטיק דקיק) – כבר היה מאבד את צורתו ומתעוות בטמפרטורה של 360 מעלות צלזיוס, ואף מתפרק לחלוטין ככל שהטמפרטורה תלך ותעלה עוד.

על ידי יצירה ראשונית של החלקים החיוניים הללו על גבי מצע סיליקון קשיח וקירור המערכת, החוקרים יכולים לקבל את החומר הגמיש בתצורתו הנדרשת מבלי לגרום לו נזק. בעזרת אמבטיה פשוטה של מים מיוננים, ההתקן הפנימי כולו מתקלף מהשכבה החיצונית, ועובר כעת במלואו לפוליאימיד הגמיש. לאחר מספר שלבי ייצור נוספים, התוצאה המתקבלת היא טרנזיסטור גמיש המסוגל לספק ביצועים גבוהים יותר מאשר כל טרנזיסטור חד-אטומי אחר המבוסס על מוליכים למחצה. "בסופו של דבר, המבנה הסופי הוא בעובי של חמישה מיקרונים בלבד, לרבות הפוליאימיד הגמיש, מסביר החוקר הראשי. גודל זה הוא פי עשרה קטן יותר מעובייה של שיערת אדם". 

לאחר שיצרו את אב הטיפוס והגישו בקשה לפטנט על המוצר שלהם, החוקרים ממשיכים לאתגרים הבאים העומדים בפניהם, בעיקר לשם שיפור ההתקן. הם יצרו כבר טרנזיסטורים דומים תוך שימוש בחומרים מוליכים למחצה חד-אטומיים נוספים, MoSe₂ וכן WSe₂, זאת על מנת להדגים את היישומיות הרחבה של השיטה. בינתיים, החוקר הראשי מסביר כי הוא ינסה בהמשך לשלב מעגלי רדיו לתוך ההתקן, תוצאה שתאפשר בעתיד פיתוח של תקשורת אלחוטית ממוזערת וגמישה, בעיקר באותם התקנים המיועדים להשתלה בתוך גוף האדם, למשל קוצב לב. "התוצאות של המחקר שלנו מהוות הרבה יותר מאשר שיטת ייצור מבטיחה – הצלחנו להשיג גמישות, צפיפות, ביצועים גבוהים ומתח נמוך – כל התכונות יחדיו באותו זמן".

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר