Физики из США, Китая и Южной Кореи создали гибкие полимерные транзисторы, почти не теряющие электронных свойств при растяжении. Удлинение транзистора в два раза уменьшало подвижность носителей заряда менее чем на 10 процентов. Ученые продемонстрировали прототип носимого устройства, крепящегося непосредственно на кожу и сжимающегося и растягивающегося вместе с ней. В будущем материал может найти применение в медицине, биосовместимых интерфейсах человек-компьютер и создании «электронной кожи». Исследование опубликовано в журнале Science.

Материалы для носимой гибкой электроники должны удовлетворять массе требований. С одно стороны, они должны быть гибкими и эластичными — как человеческая кожа. С другой стороны, они должны обладать высокой подвижностью зарядов в них — от этого зависит скорость работы микроэлектронной системы. Большинство известных подходов удовлетворяют одному из требований в ущерб другому. Добиться гибкости удается используя специальные токопроводящие полимеры, однако их электронные свойства — подвижность носителей заряда — на порядки хуже, чем у кремния. Кроме того, в толстой пленке такого полимера при растяжении возникают трещины и разрывы, что также плохо сказывается на электронных свойствах.

Для борьбы с нарушениями структуры материаловеды изменяют геометрию материала. Например, чтобы обеспечить растяжимость, можно использовать технику киригами или делать материалы волнистыми. Но это плохо сказывается на электронных свойствах системы.

Строение материала. Jie Xu et al / Science, 2016

Авторы предложили модифицировать структуру материала, заменив чистый полимер на нанокомпозит. В нем тонкие жгуты из полупроводящего полимера помещены в матрицу из эластичного непроводящего полимера. Это позволяет избежать разрывов при натяжении и сохранить подвижность носителей заряда. Для синтеза материала использовали разделение фаз — к этому явлению относится превращение однородной жидкости в пару несмешивающихся компонентов. По словам материаловедов, это дешевая и масштабируемая методика.

Ток утечки при деформациях транзистора. Jie Xu et al / Science, 2016

Пластинка полимерного композита была устроена таким образом, что с одной ее стороны проводящий полимер выходил непосредственно на поверхность. Это позволяло создать электрический контакт между полимерными волокнами и электродами. С помощью полимеров, наполненных углеродными нанотрубками, ученым удалось собрать на основе материала тонкопленочный транзистор (TFT) и испытать его свойства к механическим нагрузкам.

Управление питанием светодиода с помощью транзистора. Jie Xu et al / Science, 2016

Лучшие из нескольких образцов, созданных авторами, теряли лишь шесть-семь процентов подвижности носителей зарядов при растяжении в два раза. В качестве демонстрации возможностей устройства, ученые поместили один такой транзистор на сгиб указательного пальца одного из соавторов статьи и управляли с его помощью светодиодом.

По словам представителя исследовательского института Samsung (SAIT), участвовавшего в разработке, компания заинтересована в подобных устройствах. На их основе могут быть разработаны новые виды носимой электроники. По мнению авторов, главный результат работы — новый тип полимерных полупроводниковых материалов и новый способ их синтеза.

Подвижность носителей заряда в разработанных материалах составляет около одного квадратного сантиметра на вольт в секунду. Эта величина примерно на порядок меньше, чем в полимерах-рекордсменах. Гораздо выше подвижность зарядов в углеродных нанотрубках — около 200 000 квадратных сантиметров на вольт в секунду. Кстати, недавно транзисторы на углеродных нанотрубках впервые превзошли обычные кремниевые транзисторы.

Автор: Владимир Королёв