Гибкая электроника

Как будет развиваться электроника? Из чего в будущем будут делать протезы и этикетки на упаковках? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Вся современная электроника основана на кристаллическом кремнии. Она очень высокопроизводительна, эффективна и проникла во все сферы нашей жизни, однако обладает рядом существенных недостатков: кремний хрупкий, и из-за этого устройства, основанные на кремнии, не обладают гибкостью; кроме того, экраны, которые мы используем, все на стекле, что добавляет хрупкости. То есть у традиционной электроники нет такого свойства, как гибкость. Также современная электроника часто имеет большой вес, который связан с высокой плотностью кремния. И наконец, устройства на основе кремния непрозрачны. Поэтому перед будущей электроникой стоят требования: она должна была гибкой, чтобы экран при падении не разбился, чтобы мы его могли согнуть, свернуть, как рулон бумаги. Компьютер будущего — это, наверное, лист бумаги, который мы можем свернуть, сложить и взять с собой.

Только сейчас появился на рынке смартфон, который можно сложить в два раза. Это первый шаг к новому поколению электроники. Еще одно свойство, которым не обладает традиционная электроника, — растяжимость. Представим себе, что устройство не только гибкое, но и растяжимое. Тогда оно может быть интегрировано в одежду или кожу человека. Оно может служить основой датчиков, сенсоров и использоваться для диагностики состояния человека. Наконец, гибкая электроника будущего может быть очень тонкой и легкой. Можно представить обои будущего — экраны, меняющие свою окраску и рисунок.

Если мы говорим об экранах больших форматов, они должны быть дешевые. Стоимость кремниевого чипа составляет сейчас около одного доллара, поэтому электроника будущего должна быть произведена из еще более дешевых материалов. Также мы хотим иметь электронику, которую сможем использовать в качестве интеллектуальных этикеток для маркировок продуктов, описания товаров, продуктов питания, лекарств. Такая интеллектуальная этикетка, например, на пакете молока расскажет о состоянии пакета, когда молоко было произведено, при какой температуре его хранили, каков срок годности. 

О каких устройствах гибкой электроники может идти речь? Прежде всего, это экраны смартфонов, планшетов, обои и другие экраны. Еще пример: сканер отпечатков пальцев. Если бы этот сканер был гибкий, он намного точнее определял бы отпечаток и меньше ошибался. Также это могут быть гибкие датчики для рентгеновских исследований. В рентгеновских исследованиях можно использовать гибкие сканеры, которые смогут облегать любую часть тела, и тогда снимок будет более точный и качественный. Следующие устройства, которые интересны для применения в медицине, — это датчики пульса, влажности, давления, электрокардиограммы. Людям, страдающим, например, эпилепсией, можно вживить экран, который будет мониторить состояние и предупреждать о приступах.

В чем заключаются основные проблемы, которые мешают перейти к гибкой электронике? Главная проблема — новые материалы. Традиционный кремний — замечательный полупроводниковый материал, поэтому для электроники будущего нам необходимы гибкие полупроводники. Один из вариантов полупроводников — это органические полупроводники, основанные на органических материалах, например полимерах. Полимеры позволили нам иметь искусственно созданные материалы, которые обладают гибкостью, легкостью, прочностью, из них можно формировать различные структуры, и при этом они дешевые. Но полимеры, к которым мы привыкли, не обладают полупроводниковыми свойствами. А вот органические полимеры сочетают свойства гибкости с полупроводниковыми свойствами.

Сегодня фокус исследований направлен на разработку именно таких органических полупроводниковых материалов. Пока их параметры еще далеки от параметров, которые имеет традиционный кремний, но они уже могут с ними конкурировать. Одна из основных характеристик полупроводника — подвижность зарядов в нем, то есть способность электрического заряда передвигаться в материале под действием приложенного электрического поля. В органических полупроводниках этот параметр уже превосходит тот, который имеет аморфный кремний, использующийся в экранах различных устройств. Кремний, на котором основаны современные процессоры, кристаллический, и его подвижности на порядок выше тех, что достижимы в органике. Сочетание гибкости и умеренных подвижностей носителей зарядов позволяет создавать новый класс устройств, которые обладали бы гибкостью и в то же время могли выполнять различные функции.

Вторая задача, помимо новых материалов, — это постепенная интеграция гибкой электроники в существующие технологии. Речь идет о замене старых материалов органикой в старых же устройствах. Например, мы можем в процессе фотолитографии, который используется для производства интегральных микросхем, заменить основной материал, то есть кремний, на материал органический, который может быть получен без использования высоких температур, вакуума. 

Еще один из недостатков органических полупроводников, который сдерживает развитие этой области, — их низкая стабильность. Мы привыкли, что электроника, по крайней мере процессор на кремнии, — это вещь долговечная. Когда все остальное в компьютере приходит в негодность, с процессором практически ничего не происходит. Однако органические материалы не очень хорошо работают под высокими нагрузками, током, светом. Есть различные способы решить проблемы стабильности и долговечности. Можно использовать механистические способы: защитить пленку органического полупроводника от воздействия воды и кислорода защитным покрытием. Например, в кремниевой электронике используется естественный защитник — оксид кремния. В органических полупроводниках также пытаются использовать защитные слои, чтобы повысить их долговечность. Второй способ интереснее, но сложнее: разрабатывать материалы, которые в принципе долговечны и хорошо себя чувствуют в условиях окружающей среды.