一种以多样材料制成的转印新方式,已证明是相当具有潜力的奈米级电子与光电产品的开发工具。全新且成本不高的奈米电子制作方法,除了可以做种种电子装置外,也可用来发展更好的显示器、更精简与高效能的手机,以及相当类似人类眼睛结构,小巧但有宽广视角的夜视系统。
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一种新的转印方式,可以把高效能的晶体管印在塑料纸上,成为可弯曲的电子装置。(Source: John Rogers, University of Illionis) |
最近美国伊利诺大学的材料科学工程兼化学教授John Rogers与他的工作伙伴们已经开发成了一套转印技术,此一技术可结合广泛不同种类的无机结构材料,例如单一面的奈米碳管、各种奈米级的线路,加上以砷化镓制作的带状材料,以及硅材料等,如此可用来建造一个多层且高效能的光电装置,当然也能转印在有弹性可弯曲的表面上。
能够在一个平台上整合异类的材料,加州理工学院化学教授James Heath说:「这的确是一个美好且引人注目的研究成果,且它大概是迄今最好的方法。」但在实际执行制程上还有某种程度的挑战,包括高温下的沉淀状况,有些材料需要高温下作业,虽然它会因而伤害其它材料。不过Rogers的方法可以先分开处理不兼容的材料,然后再以低温处理来结合它们,并转印在不同的表面上,包括可弹性弯曲的塑化物上。
Rogers的方法已具体描述在最近出版的《科学》杂志上,且正进行奈米微细结构的组建工作,作法就如同奈米半导体硅制程的数组结构一样,所以是一般常见的制程技术。研究人员接着还会紧压一个软印版在这些结构上,当软印版剥去之后,这些结构就粘附在这个版上,就好像灰尘黏附在剥去的胶带上一样。此一奈米结构样式的软印版,可以再压印在另一个覆盖着类似黏胶的聚合物表面上,把这个聚合物干燥保存之后,它所黏附的奈米结构比原来的软印版还强固。当软印版提起,它除了会在后面留下奈米结构,且仍然整齐地保持本身原来的模型状态,接着又可以重复做其它结构。
一旦奈米结构已经妥当适用,研究人员会使用一般的制程技术来布放电极与其它结构,以便制成一个可运作的装置,如同晶体管的应用一般。接着不同的奈米结构材料,例如奈米碳管,可以下一批再转印在同一个表面的前一个材料上。
此一方法也可以使用在多层系统的制作上,也就是在第一层装置转印好之后,研究人员可再涂上一层薄的黏胶聚合物,此一用处就是为了支撑下一层的装置,同时也为了在夹层之间做好隔离的动作。因为聚合物本身很薄,一些细洞容易被蚀漏渗入,造成不同两层装置之间可能的连接错乱。
透过尽可能简易地整合异类材料在一个表面上的技术,此一方法可以产生更小且更精简的装置。由于很多电子与光电产品仰赖不同型式的材料来执行不同的功能,例如手机会使用高效能的砷化镓半导体来处理高频无线讯号,但它也会使用较低成本的一般硅半导体来处理数字数据。这些在过去并不容易结合在一个芯片上来运作,只有一个选择就是在电路板上一个捱一个的装嵌不同功能的芯片,不仅浪费珍贵的空间,而且需要较长的制作过程,组件之间的连接也会造成效能的降低。如果用其它方法像是构装多层的裸晶或放置不同材料在一芯片上,由于某些材料温度上的使用处理不尽相同,一些类别的材料要结合在一起会有所限制,当然也不可能把这些电子电路置放在一些可弯曲类似塑化物的表面上。
对于显示器相关业者而言,此一新方法在各种观点上都造成一些冲击。现今的平面显示器LCD TV是以数量庞大且昂贵的格间所构成,并在其中用电子讯号来控制每一个画素的显现,外观就像一块玻璃面板一般。Rogers说他的技术则可以达成使用较小批量的电子晶体,并因而做出较便宜的产品。因为他的处理方式可以一个区块接着一个区块地转换电子讯号来显示,然后遍布到整个玻璃面上;在整个电子讯号的运作中,较小批量晶体管的硅材料也能够创造较高的效能,所以可以有效改善LCD的响应时间。
当然,改善LCD显示器只是第一步的工作,Rogers认为此项技术用来发展高亮度且色彩鲜艳的超大LED电视,例如架设在运动广场的LED屏幕,也是相当可行,因为转印的方法使得整合所需的材料变得更容易些,以目前的大规格屏幕来说,LED单位可以做得更小,并且更紧密的组合。而且因为此一转印技术,可以在有弹性可弯曲的基材上制作同样高效能的装置,所以能够铺成一个可转动的LED显示器。
Rogers同时还表示,此一技术在弯曲表面的转印能力,也可制作出仿造人眼精密结构的设备,并因而开发出较小型的夜视镜。
目前伊利诺大学已取得这项技术的独家专利权,但有更多的工作仍旧需要去进一步完成与验证,以便达到可大规模量产数百万显示器与夜视镜时的可靠性与稳定度。不过,东京大学工程系教授Takao Someya则表示,此一技术不同以往的方式,因此在整个经济执行面上会有成本上的考虑因素,只能说Rogers的方法,目前提供了一个「理想的解决方案」。