التقدم في تعدين الإلكترونيات القابلة للتمدد والمتكاملة للغاية (ثلاثية الأبعاد).

لقد أحدث دمج الإلكترونيات ذات الخصائص القابلة للتمدد ثورة في العديد من التخصصات، بما في ذلك الرعاية الصحية والتكنولوجيا القابلة للارتداء والمنسوجات الذكية. إن الحصول على مستوى عالٍ من التكامل في الهياكل ثلاثية الأبعاد مع الحفاظ على وظائف الإلكترونيات يمثل فرصة رائعة لتطوير التطبيقات المتطورة. لتحقيق إلكترونيات قابلة للتمدد ثلاثية الأبعاد (3D) متكاملة للغاية، فإن المعدنة الموثوقة تشكل تحديًا كبيرًا.

تستند هذه المقالة إلى ورقة فنية¹ نشره باحثون في جامعة KU Leuven، بلجيكا. يزعم هذا البحث أنه تم، لأول مرة، تحقيق عملية الترسيب الكهربي لعنصر الجاليوم إنديوم سهل الانصهار (EGaIn) على إلكترونيات ثلاثية الأبعاد قابلة للتمدد، مما يحل المشكلة بسبب الطاقة السطحية العالية لهذه المادة.

إلكترونيات ثلاثية الأبعاد قابلة للتمدد

في السنوات الأخيرة، زاد الطلب على الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والأجهزة المرنة نتيجة لقدرتها على دمج التكنولوجيا في الحياة اليومية بسلاسة. من أجل استيعاب الأشكال الهندسية المعقدة والتشوهات للأجسام البشرية أو الأسطح غير التقليدية، كثيرًا ما تكون الإلكترونيات القابلة للتمدد مطلوبة لهذه التطبيقات. على الرغم من التقدم الكبير في أجهزة الاستشعار وشاشات العرض ومصادر الطاقة القابلة للتمدد، فإن المعدنة الموثوقة للإلكترونيات القابلة للتمدد ثلاثية الأبعاد والمتكاملة للغاية تظل تحديًا هائلاً.

يستخدم مصطلح “الإلكترونيات القابلة للتمدد” لوصف فئة من المعدات الإلكترونية التي يمكن تشكيلها بسهولة لتناسب شكل الجسم البشري أو غيره من الهياكل غير التقليدية. لقد وجدت الإلكترونيات التكيفية والمتوافقة استخدامًا في الصناعات بما في ذلك الروبوتات الناعمة والرعاية الصحية، حيث تقوم أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للارتداء بمراقبة المؤشرات الحيوية. يعد الطب الشخصي والواقع المعزز وأجهزة إنترنت الأشياء من الاستخدامات المحتملة الأخرى. على الرغم من وجود العديد من الفوائد لاستخدام الإلكترونيات القابلة للتمدد، إلا أن قبولها السائد يعوقه مشكلات تتعلق بالمواد والميكانيكا والتكامل. يعد الحفاظ على الأداء الكهربائي في مواجهة الإجهاد الميكانيكي والتعب والظروف المناخية أحد أكبر العقبات التي يجب التغلب عليها.

18.09.2023

14.09.2023

09.12.2023

تحديات التعدين

التعدين هو عملية ترسيب طبقات معدنية لتوفير التوصيلات الكهربائية والوصلات البينية في الإلكترونيات التقليدية. على الرغم من أن التقنيات التقليدية مثل ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) وترسيب البخار الكيميائي (CVD) أثبتت نجاحها على ركائز صلبة، إلا أنها لم تتمكن من استغلال إمكانات المواد القابلة للتمدد بشكل كامل بسبب ضعف الالتزام وعدم القدرة على تحمل التشوه الميكانيكي.

هناك حاجة إلى طرق مختلفة للتعدين للتحول من الركائز الصلبة إلى الركائز القابلة للتمدد. من أجل الحفاظ على التوصيلات الكهربائية تحت ضغط ميكانيكي كبير وظروف مناخية مختلفة، من الضروري استخدام مواد وإجراءات جديدة. يعد اختيار المواد، والالتصاق، والامتثال الميكانيكي، والأداء الكهربائي مجرد عدد قليل من الاعتبارات التي يجب أن تدخل في تصميم الوصلات البينية القابلة للتمدد وطبقات المعدن.

يتطلب تحقيق عملية تعدين موثوقة في الإلكترونيات القابلة للتمدد مواد موصلة يمكنها الحفاظ على الأداء الكهربائي أثناء التشوه. تشمل هذه المواد:

• توفر البوليمرات الموصلة، مثل البولي (3،4-إيثيلين-ديوكسيثيوفين)، مزيجًا من التوصيلية والتمدد.
• المواد النانوية، بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية والجرافين. توفر هذه المواد خصائص كهربائية استثنائية ومرونة ميكانيكية.
• عندما يتعلق الأمر بالتوصيل الكهربائي والمرونة، فإن المعادن السائلة، وخاصة تلك التي تعتمد على الغاليوم، توفر فوائد لا مثيل لها. فهي مرنة وقابلة للتوافق، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الوصلات البينية المرنة والمطابقة.

يمكن تلخيص التحديات الرئيسية التي يمكن مواجهتها في تعدين الإلكترونيات ثلاثية الأبعاد القابلة للتمدد على النحو التالي:

• الإجهاد والتعب الميكانيكي. أثناء الاستخدام، تتعرض الإلكترونيات القابلة للتمدد لضغوط ميكانيكية دورية، مما يؤدي إلى إجهاد المواد الناتج عن التشوه. يجب أن تتحمل طبقات المعدن الاستطالة المتكررة دون التقطيع أو التشقق أو انقطاع التيار الكهربائي.
• التصاق. يعد الحفاظ على الاتصال الكهربائي المتسق بين طبقات المعدن والركائز أمرًا ضروريًا لوظائف الجهاز. بسبب الاختلافات في الخواص الميكانيكية والتضاريس السطحية، غالبًا ما تفشل تقنيات التعدين التقليدية في الحصول على التصاق قوي على ركائز قابلة للتمدد.
• الإدارة الحرارية. في الإلكترونيات القابلة للتمدد ثلاثية الأبعاد والمتكاملة للغاية، يمكن أن يؤدي دمج المكونات المتعددة والعناصر النشطة إلى تراكم الحرارة وارتفاع درجات حرارة التشغيل. مطلوب إدارة حرارية فعالة لمنع ارتفاع درجة الحرارة، الأمر الذي يمكن أن يقلل من كفاءة الجهاز وطول عمره.

البحث

لتسهيل التقدم في مجال الإلكترونيات القابلة للتمدد والمتكاملة للغاية، من الضروري التركيز على تطوير تقنيات الزخرفة القابلة للتطوير للموصلات (الفرعية) الميكرومترية. يعد استخدام الجاليوم إنديوم سهل الانصهار (EGaIn) كموصل في الإلكترونيات القابلة للتمدد أمرًا جذابًا نظرًا لخصائصه المعدنية السائلة، والتي تمكنه من الحفاظ على التوصيل الكهربائي الجيد حتى عند تعرضه للتشوه. ومع ذلك، فإن التوتر السطحي العالي للمادة يمنع إمكانية تحقيق نقش بدقة أقل من الميكرون.

من خلال الوصف لأول مرة للترسيب الكهربي لـ EGaIn باستخدام إلكتروليت غير مائي قائم على الأسيتونيتريل مع ثبات كهروكيميائي عالي وتعامد كيميائي، تمكن الباحثون من التغلب على هذا القيد. النافذة الكهروكيميائية للأسيتونيتريل توسعية، وهي مقاومة بشكل ملحوظ للاختزال. وبالإضافة إلى ذلك، فإنه يسمح بحل التركيزات العالية (> 0.5 م) من InCl₃ و GaCl₃مما يؤدي إلى ارتفاع التيارات الكاثودية وبالتالي ارتفاع معدلات الترسيب.

نظرًا للطبيعة السائلة والمعدنية لـ EGaIn، أنتجت العملية المقترحة خطوطًا معدنية سائلة قوية قابلة للتمدد بأبعاد تتراوح من المليمتر إلى مقياس دون الميكرون مع موصلية 2 · 10⁶ س م^-1 التي تم الحفاظ عليها حتى سلالة 100٪ وأثبتت ثباتها بعد 300 دورة إجهاد (50٪).

يتم نقل تعقيد الزخرفة من المعدن السائل إلى طبقة البذور، والتي يمكن ترسيبها باستخدام تقنيات التصنيع النانوي التقليدية مثل الاستنسل / الطباعة النانوية / الطباعة الحجرية الضوئية والتبخر / الاخرق. وحتى على الركائز المرنة، يسمح هذا بقابلية التوسع، وتعريف الأنماط المعقدة، وتصغير الميزات بما يتجاوز أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا.

أنتجت المادة المودعة كهربائيًا خطوطًا منخفضة المقاومة ظلت مستقرة بعد استطالة الإجهاد المتكررة بنسبة 100٪. حققت الطريقة المقترحة تكاملًا قياسيًا عالي الكثافة لخطوط EGaIn العادية بنصف درجة 300 نانومتر على ركيزة مطاطية عن طريق الترسيب على طبقة بذرة ذهبية منقوشة بالطباعة النانوية. بالإضافة إلى ذلك، تم تمكين التكامل الرأسي عن طريق ملء الفوهات بنسبة عرض إلى ارتفاع عالية.

من خلال الطباعة النانوية لركيزة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) وإزالتها باستخدام شريط لاصق، تم إثبات النقش النانوي لفيلم رقيق من الذهب المودع باستخدام طريقة مباشرة وغير مكلفة. تنتج طبقة بذور الذهب، بعد الطلاء الكهربائي، خطوط EGaIn على PDMS بدقة غير مسبوقة تبلغ 300 نانومتر (عرض 300 نانومتر ومسافة 300 نانومتر)، مما يمهد الطريق لدوائر قابلة للتمدد عالية الكثافة. بالإضافة إلى ذلك، يتيح الوضع الكهربائي التكامل الرأسي ثلاثي الأبعاد من خلال ملء ميزات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية بشكل كامل.

يوضح الشكل 1 أ تدفق العملية المستخدم لتصنيع الركائز القابلة للتمدد والتي يمكن زراعة الخطوط المعدنية السائلة عليها عن طريق الترسيب الكهربائي:

1. يتم وضع قطع PDMS الرقيقة على ركائز زجاجية ومغطاة بقناع ظل من رقائق البلاستيك مع فتحة.
2. يتم بعد ذلك رش الأجزاء بطبقة ذهبية رقيقة (حوالي 5 نانومتر).
3. تتم بعد ذلك إزالة القناع، مما يؤدي إلى طبقة بذور الذهب المطلوبة على PDMS.
4. أخيرًا، يتم إضافة قطرة من حبر معجون الفضة (حوالي 1 مل) إلى أحد طرفي طبقة البذور وتجفيفها عند درجة حرارة 40 درجة مئوية في غرفة مفرغة لمدة 24 ساعة. تعمل هذه القطرة كنقطة اتصال كهربائية أثناء عملية الترسيب الكهربائي.

يوضح الشكل 1 ب كيف يتم إجراء عملية التفريغ الكهربي لـ EGaIn في إعداد ثلاثي الأقطاب، ويسلط الضوء على التفاعلات التي تحدث على الركيزة (نحن: قطب كهربائي يعمل؛ RE: قطب كهربائي مرجعي؛ CE: قطب كهربائي مضاد). تم تسجيل تصوير الفولتاموجرام الدوري (CV) للأسيتونيتريل مع 0.1 م من كلوريد رباعي بيوتيل الأمونيوم ([TBA][Cl]) كما يظهر ملح الخلفية في الشكل 1ج (الخط الأسود). يُظهر الخط الأخضر السيرة الذاتية للأسيتونيتريل مع 500 مم من GaCl3 و87.5 مم من InCl3. يوضح الشكل 1 د قياس قطب القرص الدائري الدوار (RRDE).

نتائج تجريبية

لتقييم الأداء الميكانيكي لخطوط EGaIn المودعة، تم تركيب خطوط على شكل عظم الكلب مطلية على ركيزة PDMS (الشكل 2 أ) على جهاز تمديد مخصص (الشكل 2 ب) وتعرضت لإجهاد شد أحادي المحور يصل إلى 100٪ بينما كانت مقاومتها الكهربائية تم قياسه.

ويبين الشكل 2ج تطور المقاومة النسبية (R/R0)، حيث يمثل R0 (= 0.11Ω) وR المقاومة في غياب ووجود السلالة، على التوالي. يوضح المنحنى قابلية التمدد العالية لخطوط EGaIn المطلية، والتي تستمر في كونها موصلة للغاية حتى تنكسر الركيزة PDMS عند إجهاد 100٪.

مراجع

¹ ووتر مونينز، بوكاي تشانغ، زينيو تشو، لورينز سنيلز، كوين بينيمانز، فرانسيسكو مولينا لوبيز، جان فرانساير، “ترسيب كهربي قابل للتطوير للمعدن السائل من إلكتروليت قائم على الأسيتونيتريل من أجل إلكترونيات قابلة للتمدد ومتكاملة للغاية“، جامعة كو لوفين، بلجيكا.