Los dispositivos de nueva generación fabricados con el nuevo método de «desprender y apilar» podrían incluir chips electrónicos que se llevan sobre la piel.
En el centro de cualquier dispositivo electrónico hay un chip informático frío y rígido, cubierto por una minúscula ciudad de transistores y otros elementos semiconductores. Como los chips informáticos son rígidos, los dispositivos electrónicos que alimentan, como nuestros teléfonos inteligentes, portátiles, relojes y televisores, también son igualmente inflexibles.
Ahora, un proceso desarrollado por ingenieros del MIT podría ser la clave para fabricar electrónica flexible con múltiples funcionalidades de forma rentable.
El proceso se denomina «epitaxia remota» e implica hacer crecer películas delgadas de material semiconductor sobre una oblea gruesa y de gran tamaño del mismo material, cubierta por una capa intermedia de grafeno. Una vez que los investigadores hacen crecer una película semiconductora, pueden desprenderla de la oblea cubierta de grafeno y luego reutilizar la oblea, que en sí misma puede ser costosa según el tipo de material del que esté hecha. De este modo, el equipo puede copiar y desprender cualquier número de películas semiconductoras delgadas y flexibles, utilizando la misma oblea subyacente.
En un artículo publicado hoy en la revista Nature, los investigadores demuestran que pueden utilizar la epitaxia remota para producir películas autoportantes de cualquier material funcional. Más importante aún, pueden apilar películas fabricadas con estos distintos materiales para producir dispositivos electrónicos flexibles y multifuncionales.
Los investigadores prevén que el proceso podría utilizarse para producir películas electrónicas elásticas para una amplia variedad de usos, como lentes de contacto con realidad virtual, pieles con energía solar que se adaptan a los contornos de su automóvil, tejidos electrónicos que responden al clima y otros dispositivos electrónicos flexibles que hasta ahora parecían ser cosa de las películas de Marvel.
“Puede utilizar esta técnica para combinar cualquier material semiconductor y obtener nuevas funcionalidades de dispositivo, en un único chip flexible”, afirma Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Puede fabricar electrónica con cualquier forma.”
Los coautores de Kim incluyen a Hyun S. Kum, Sungkyu Kim, Wei Kong, Kuan Qiao, Peng Chen, Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Chanyeol Choi, Luigi Ranno, Seungju Seo, Sangho Lee, Jackson Bauer y Caroline Ross, del MIT, junto con colaboradores de la Universidad de Wisconsin en Madison, la Universidad de Cornell, la Universidad de Virginia, Penn State University, la Universidad Sun Yat-Sen y el Instituto Coreano de Investigación de Energía Atómica.
Ganar tiempo
Kim y sus colegas informaron de sus primeros resultados utilizando la epitaxia remota en 2017. Luego lograron producir películas delgadas y flexibles de material semiconductor colocando primero una capa de grafeno sobre una oblea gruesa y costosa, fabricada con una combinación de metales exóticos. Hicieron fluir átomos de cada metal sobre la oblea cubierta de grafeno y comprobaron que los átomos formaban una película sobre el grafeno, con el mismo patrón cristalino que la oblea subyacente. El grafeno proporcionó una superficie antiadherente desde la que los investigadores podían desprender la nueva película, dejando la oblea cubierta de grafeno, que podían reutilizar.
En 2018, el equipo demostró que podía utilizar la epitaxia remota para fabricar materiales semiconductores a partir de metales de los grupos 3 y 5 de la tabla periódica, pero no del grupo 4. La razón, descubrieron, se reducía a la polaridad, o a las cargas respectivas entre los átomos que fluían sobre el grafeno y los átomos de la oblea subyacente.
Desde este descubrimiento, Kim y sus colegas han probado una serie de combinaciones semiconductoras cada vez más exóticas. Como se informa en este nuevo artículo, el equipo utilizó la epitaxia remota para fabricar películas semiconductoras flexibles a partir de óxidos complejos —compuestos químicos formados por oxígeno y al menos otros dos elementos. Se sabe que los óxidos complejos tienen una amplia gama de propiedades eléctricas y magnéticas, y algunas combinaciones pueden generar una corriente cuando se estiran físicamente o se exponen a un campo magnético.
Kim afirma que la capacidad de fabricar películas flexibles de óxidos complejos podría abrir la puerta a nuevos dispositivos de captación de energía, como láminas o cubiertas que se estiran en respuesta a las vibraciones y, como resultado, producen electricidad. Hasta ahora, los materiales de óxido complejo solo se habían fabricado sobre obleas rígidas de un milímetro de grosor, con flexibilidad limitada y, por tanto, un potencial limitado de generación de energía.
Los investigadores sí tuvieron que ajustar su proceso para fabricar películas de óxido complejo. Al principio descubrieron que, cuando intentaban fabricar un óxido complejo como el titanato de estroncio (un compuesto de estroncio, titanio y tres átomos de oxígeno), los átomos de oxígeno que hacían fluir sobre el grafeno tendían a unirse con los átomos de carbono del grafeno, grabando fragmentos de grafeno en lugar de seguir el patrón de la oblea subyacente y unirse con el estroncio y el titanio. Como solución sorprendentemente sencilla, los investigadores añadieron una segunda capa de grafeno.
“Vimos que, para cuando la primera capa de grafeno se graba, ya se han formado compuestos de óxido, así que el oxígeno elemental, una vez que forma estos compuestos deseados, no interactúa tanto con el grafeno”, explica Kim. “Así que dos capas de grafeno ganan algo de tiempo para que se forme este compuesto.”
Desprender y apilar
El equipo utilizó su proceso recién ajustado para fabricar películas a partir de múltiples materiales de óxido complejo, desprendiendo cada capa de 100 nanómetros de grosor a medida que se fabricaba. También lograron apilar capas de diferentes materiales de óxido complejo y unirlas de manera efectiva calentándolas ligeramente, lo que produjo un dispositivo flexible y multifuncional.
“Es la primera demostración de apilar múltiples membranas de nanómetros de grosor como bloques LEGO, algo que era imposible porque todos los materiales electrónicos funcionales existen en forma de oblea gruesa”, afirma Kim.
En un experimento, el equipo apiló películas de dos óxidos complejos diferentes: ferrita de cobalto, que se sabe que se expande en presencia de un campo magnético, y PMN-PT, un material que genera voltaje cuando se estira. Cuando los investigadores expusieron la película multicapa a un campo magnético, las dos capas trabajaron juntas para expandirse y producir una pequeña corriente eléctrica.
Los resultados demuestran que la epitaxia remota puede utilizarse para fabricar electrónica flexible a partir de una combinación de materiales con distintas funcionalidades, que antes eran difíciles de combinar en un solo dispositivo. En el caso de la ferrita de cobalto y el PMN-PT, cada material tiene un patrón cristalino diferente. Kim afirma que las técnicas de epitaxia tradicionales, que hacen crecer materiales a altas temperaturas sobre una oblea, solo pueden combinar materiales si sus patrones cristalinos coinciden. Según él, con la epitaxia remota, los investigadores pueden fabricar cualquier número de películas diferentes, utilizando obleas distintas y reutilizables, y luego apilarlas, independientemente de su patrón cristalino.
“La gran idea de este trabajo es que se pueden combinar materiales totalmente diferentes en un mismo lugar”, afirma Kim. “Ahora puede imaginar un dispositivo delgado y flexible fabricado con capas que incluyen un sensor, un sistema informático, una batería y una célula solar, de modo que podría tener un chip apilado, flexible y autoalimentado para el internet de las cosas.”
El equipo está explorando diversas combinaciones de películas semiconductoras y trabaja en el desarrollo de dispositivos prototipo, como algo que Kim denomina «tatuaje electrónico»: un chip flexible y transparente que puede adherirse y adaptarse al cuerpo de una persona para detectar y transmitir de forma inalámbrica signos vitales como la temperatura y el pulso.
“Ahora podemos fabricar electrónica delgada, flexible y vestible con la mayor funcionalidad”, afirma Kim. “Solo hay que desprender y apilar.”
La investigación fue el resultado de una estrecha colaboración entre los investigadores del MIT y de la Universidad de Wisconsin en Madison, y contó con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
