Forscher entwickeln dehn- und quetschbare Schaltkreise und Logikgatter aus Gummi

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Forscher der Univesität Houston präsentieren ihre Fortschritte im Bereich der dehnbaren Elektronik-Bauteile.
Forscher der Univesität Houston präsentieren ihre Fortschritte im Bereich der dehnbaren Elektronik-Bauteile. (Bild: University of Houston)

Forscher der University of Houston haben „einen Durchbruch in der flexiblen und dehnbaren Elektronik“ erzielt: Ein neuartiges Material erlaubt dehn- und quetschbare integrierte Schaltkreise, Logikschaltungen und Sensoren, die vollständig auf Gummimaterialien basieren.

Herkömmliche Elektronik kommt in der Regal auf starren Leiterplatten oder Chips, was den Einsatz für Wearables oder für Sensorik, die auf flexiblem Untergrund eingesetzt werden soll – beispielsweise der menschlichen Haut – immens erschwert. Bisherige Ansätze für flexible Elektronik setzte bislang entweder auf starre, dünne Drähte, die über eine Lange dünne Folie gespannt wurden. Bei diesen Ansätzen ist allerdings die Trägermobilität (Carrier Mobility), mit der sich Elektronen durch das Material bewegen, in der Regel sehr gering, was die Materialien nur für simple Verbindungen eignet. Andere Ansätze basieren auf gefalteten oder mäandernden Elektroden, die nur bedingt flexibel sind.

Forscher der Universität Houston haben nun einen Ansatz entwickelt, der die Entwicklung von Logikgattern und Schaltkreisen vollständig auf einem dehn- und quetschbaren, gummiartigen Material ermöglicht."Wir stellen eine vollgummierte integrierte Elektronik aus einem gummiartigen Halbleiter mit einer hohen effektiven Mobilität vor ... die wir durch die Einführung metallischer Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einen gummiartigen Halbleiter mit durchsickerten organischen Halbleiternanofibrillen erhalten", schreiben die Forscher in ihrer Materialstudie, die Sie im Fachjournal Science Advances unter dem Titel "Rubbery electronics and sensors from intrinsically stretchable elastomeric composites of semiconductors and conductors" veröffentlicht haben. "Diese Verbesserung der Carrier-Mobilität wird durch schnelle Wege und damit eine verkürzte Carrier-Transportstrecke ermöglicht."

Nanoröhrchen als Elektronen-Autobahn

Bisherige dehnfähige Halbleiter wurden durch die geringe Trägermobilität und die komplexen Fertigungsanforderungen behindert. Ein Verbundmaterial, dass häufig für den Einsatz solcher flexiblen, tragbaren Elektronik genutzt wird, ist das Silikonöl Polydimethylsiloxan (PDMS). Die Forscher aus Housten waren in der Lage, die Trägermobilität dieses Materials signifikant zu erhöhen, indem sie nahe der Trägeroberfläche winzige Mengen metallischer Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon nanotubes, CNT) hinzufügten. Laut Cunjiang Yu, Bill D. Cook Assistant Professor für Maschinenbau an der University of Houston und korrespondierender Autor auf dem Papier, wirkten diese Nanoröhrchen als "eine Autobahn", die den Trägertransport über den Halbleiter erheblich beschleunigt.

Transistoren, Logikgatter und eine komplette Sensor-Matrix

Den Forschern gelang es, Transistoren zu fertigen, bei denen dieser mit CNTs dotierte Polydimethylsiloxan-Verbundstoff als Halbleiterkanal diente. Goldnanopartikel mit konform beschichteten Silber-Nanodrähten (AuNPs-AgNWs), die in das Elastomer PDMS (AuNPs-AgNWs/PDMS) eingebettet sind, dienten hierbei als elastomere Source- und Drain-Elektroden, als Gate-Dielektrikum wurde ein Ionengel verwendet. Auch wenn das Material um 50% seiner Fläche gedehnt wurde, konnten die Forscher nachweisen, dass die Transistoren weiterhin funktionierten.

Ferner entwickelten sie auf dem Material auch funktionale Logikgatter, darunter die Wechselrichter NAND und NOR. Auch hier zeigte sich, dass die Prüfung der Logikgatter mechanische Streck- und Quetschbelastungen von 0, 10, 30 und 50% entlang und senkrecht zur Kanallängenrichtung standhielt und die korrekten Logikausgangszustände ergab. Einzig die Spannungsverstärkung (voltage gain) und die Schaltschwellenspannung (threshold voltage) änderten sich unter mechanischer Belastung leicht.

Als nächstes entwarfen die Forscher eine vollständig dehnfähige taktile Sensorhaut, die eine 8x8 Aktivmatrixanzeige zusammen mit einer Schicht aus druckempfindlichem Gummi integriert. Diese besaß einen Widerstand von mehreren hundert Megaohm (МΩ), der stark auf mehrere Ohm (Ω) stark abnahm, als der angewandte Druck die 100 kPa-Schwelle überschritt. Dank der 8x8 Aktivmatrix-Auslesetransistoren konnten sie den Druck über die dehnbare Matrix abbilden, ohne Übersprechen zwischen benachbarten Abtastpunkten. Selbst wenn die Haut in beide Richtungen gestreckt (bis 30%) und wieder losgelassen wurde, blieben die gemessenen Ausgangsspannungen stabil.

Ihre Forschungsergebnisse, so die Forscher, brächten das Feld der dehnbaren Elektronik einen signifikanten Schritt näher an den möglichen Einsatz kommerzieller Lösungen. Als nächstes strebt das Team eine weitere Erhöhung der Carrier-Mobilität und den Aufbau komplexer, hierarchischer und hochrangiger integrierter digitaler Schaltungen an, damit diese die entsprechenden Anforderungen an integrierte Schaltungen beispielsweise in der Biomedizin und in anderen Anwendungen erfüllen können.

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