Гибкая электроника: Прорыв в технологии CMOS

Исследователь Кунцзян Ю и его команда совершили прорыв в области материаловедения и электроники, создав так называемые "резиновые CMOS". Эта технология обеспечивает ту же функциональность, что и традиционные CMOS-схемы (комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник), но с использованием совершенно новых материалов.

Главное преимущество "резиновых CMOS" заключается в их растяжимости и деформируемости, сохраняя при этом функциональность обычных CMOS-компонентов. Современная электроника, от смартфонов до датчиков, базируется на CMOS-технологии, которая использует жесткие металлы и оксиды. При изгибе или растяжении такие материалы легко трескаются, что приводит к поломке устройств.

Годами инженеры стремились создать растяжимые электронные материалы, способные функционировать при деформации, чтобы обеспечить разработку нового поколения устройств, имитирующих подвижность биологических тканей. Большинство предыдущих попыток сводились к комбинированию традиционных полупроводников (например, кремния) с эластичными полимерами. Хотя такие гибридные системы могли выдерживать некоторую деформацию, им не хватало истинной эластичности на уровне материалов, что делало их непригодными для тесной интеграции с мягкими биологическими тканями или динамически деформируемыми поверхностями.

Эта проблема стимулировала растущий интерес к новой области: резиновой электронике, где каждый функциональный компонент — от полупроводника до диэлектрика и межсоединений — изготавливается из эластичных резин.

"В резиновой электронике не используется металл, оксиды или традиционные полупроводники", — поясняет Ю. "Это все еще транзистор, но он не полагается на традиционные MOS-материалы".

До сих пор разработка полноценной CMOS-архитектуры и комплементарного поведения в резиновой электронике — путем интеграции p-типа и n-типа резиновых транзисторов (то есть, с положительными и отрицательными носителями заряда) — оставалась на начальной стадии с очень ограниченными результатами.

"До сих пор поле в основном демонстрировало материалы p-типа, которые переносят положительно заряженные электрические носители", — говорит Ю. "Раньше мы никогда не демонстрировали истинное CMOS-поведение в резиновой электронике".

Этот прорыв теперь достигнут. В новой статье команда сообщает о полностью растяжимых комплементарных интегральных схемах, состоящих из эластичных n-типа и p-типа транзисторов. Эти устройства сохраняют стабильную электрическую производительность даже при растяжении до 50%. Более того, цифровые логические элементы, изготовленные из этих компонентов, также демонстрируют надежную работу при больших механических нагрузках.

В качестве доказательства концепции исследователи разработали "сенсорную кожу": тонкий, растяжимый электронный слой, который может плотно прилегать к коже человека. Это новшество открывает путь для применения в медицине и носимых устройствах, где электронные системы должны соответствовать мягким, динамически движущимся тканям.

Изначально работа команды Ю была мотивирована медицинскими имплантатами, но ее последствия выходят далеко за рамки биомедицины.

"Мягкая робототехника и интерфейсы человек-машина — это естественные следующие шаги", — говорит он. "Представьте себе носимую перчатку со встроенными интегральными схемами, которая может одновременно ощущать и обрабатывать информацию прямо внутри перчатки".