Des semi-conducteurs plus résistants pour une électronique plus flexible

L’électronique flexible, longtemps considérée comme un défi technique insurmontable, est désormais à portée de main grâce aux travaux d’une équipe de chercheurs dirigée par l’Université d’État de Pennsylvanie.

En surmontant les obstacles techniques, cette avancée pourrait ouvrir la voie à des applications technologiques de pointe dans des domaines aussi divers que les interfaces homme-machine, les peaux artificielles ou les soins de santé intelligents.

Selon le chercheur principal Cunjiang Yu, titulaire de la chaire de développement de carrière Dorothy Quiggle en ingénierie et en mécanique biomédicale à Penn State, la pleine élasticité des systèmes électroniques requiert une flexibilité et une extensibilité dans chaque composant.

Les chercheurs ont réussi à intégrer cette caractéristique dans la plupart des composants, à l’exception d’un type de semi-conducteur particulièrement fragile. L’équipe internationale a donc développé une approche pour pallier la fragilité de ce semi-conducteur, rapprochant ainsi le domaine des systèmes entièrement flexibles.

Un compromis entre électronique intégrée et semi-conducteurs

« Cette technologie nécessite des semi-conducteurs élastiques, le matériau de base permettant l’activation des circuits intégrés qui sont cruciaux pour nos ordinateurs, téléphones et bien d’autres appareils. Cependant, ces semi-conducteurs sont principalement de type p, ce qui signifie qu’ils conduisent l’électricité principalement par des trous mobiles chargés positivement« , a indiqué Cunjiang Yu. « Néanmoins, les électroniques intégrées complémentaires, les optoélectroniques, les dispositifs à jonction p-n et bien d’autres nécessitent également un semi-conducteur de type n.« 

La clé de l’extensibilité : l’architecture en sandwich

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont intercalé le semi-conducteur de type n entre deux matériaux élastiques appelés élastomères. Ces polymères peuvent s’étirer et revenir à leur forme originale. « Nous avons constaté que l’architecture en sandwich améliore l’extensibilité mécanique et supprime la formation et la propagation de microfissures dans le semi-conducteur de type n intrinsèquement fragile« , a expliqué encore Cunjiang Yu.

Succès des tests de stress et de stabilité

L’équipe a soumis cette pile de matériaux à une série de tests de stress et de stabilité, qu’elle a réussi avec brio. Ils ont également utilisé cette pile pour fabriquer des transistors extensibles et des systèmes électroniques intégrés.

« Les transistors élastiques ont conservé une haute performance même lorsqu’ils étaient étirés de 50% dans n’importe quelle direction« , a ajouté Cunjiang Yu. « Les dispositifs ont également montré une fonctionnement stable à long terme pendant plus de 100 jours dans un environnement ambiant.« 

Une avancée dans la protection des semi-conducteurs

La stabilité dans un environnement ambiant est particulièrement utile, car les semi-conducteurs de type n peuvent perdre en efficacité lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et à l’humidité. En étant encapsulé entre des élastomères, le semi-conducteur est efficacement protégé contre les éléments.

Ensuite, l’équipe continuera à travailler pour améliorer les performances des matériaux empilés et optimiser la configuration des couches afin de réduire encore la densité des microfissures. « Maintenant que nous avons un semi-conducteur de type n extensible, nous aurons bientôt des circuits intégrés élastiques« , a conclu Cunjiang Yu.

En synthèse

La réalisation de systèmes électroniques entièrement flexibles et élastiques est en passe de devenir une réalité grâce aux travaux de l’équipe de recherche dirigée par l’Université d’État de Pennsylvanie. En surmontant le défi posé par les semi-conducteurs fragiles, ils ont ouvert la voie à des applications technologiques de pointe. Les futurs travaux s’orienteront vers l’optimisation de cette technologie, avec la perspective de circuits intégrés entièrement élastiques.

Pour une meilleure compréhension

• Qu’est-ce qu’un semi-conducteur de type p ? Un semi-conducteur de type p est un matériau qui conduit l’électricité principalement à travers des trous mobiles chargés positivement.

• Qu’est-ce qu’un semi-conducteur de type n ? Un semi-conducteur de type n conduit l’électricité principalement à travers des électrons négatifs porteurs de charge.

• Qu’est-ce qu’un élastomère ? Un élastomère est un type de polymère qui peut s’étirer et revenir à sa forme originale.

• Quelle est l’importance de l’élasticité dans les systèmes électroniques ? L’élasticité est essentielle pour les systèmes électroniques qui nécessitent de la flexibilité, comme les interfaces homme-machine avancées, les peaux artificielles ou les soins de santé intelligents.

Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature Electronics.

Schéma d’un imageur à courbure réglable construit avec des composants électroniques extensibles qui utilisent des semi-conducteurs de type n pris en sandwich entre des élastomères pour limiter la fragilité typique des semi-conducteurs. Crédit : Cunjiang Yu/Penn State.

M. Yu est également affilié à l’Institut de recherche sur les matériaux de l’État de Pennsylvanie et au département de science et d’ingénierie des matériaux du Collège des sciences de la terre et des minéraux. Shubham Patel et Seonmin Jang, étudiants diplômés du département des sciences de l’ingénieur et de la mécanique de l’État de Pennsylvanie, et Hyunseok Shim, ancien chercheur postdoctoral, aujourd’hui affilié à l’université nationale de Pusan en Corée, sont les coauteurs de l’article, de même que Kyoseung Sim et Yongcao Zhang, anciens étudiants de Yu à l’université de Houston, Binghao Wang, de l’université du Sud-Est en Chine, et Torbin J. Marks et Antonio Facchetti, de l’université de Northwestern. Sim est désormais affilié à l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan en Corée. Facchetti est également affilié à Flexterra Inc.