Les appareils de la prochaine génération fabriqués selon la nouvelle méthode « peel and stack » peuvent comporter des puces électroniques portées sur la peau.

Au cœur de tout dispositif électronique se trouve une puce informatique froide et dure, recouverte d’une « ville » miniature de transistors et d’autres éléments semi-conducteurs. Les puces informatiques étant rigides, les appareils électroniques qu’elles alimentent, tels que nos smartphones, ordinateurs portables, montres et télévisions, sont tout aussi rigides.

Un procédé mis au point par les ingénieurs du MIT pourrait maintenant être la clé de la fabrication d’appareils électroniques flexibles aux fonctionnalités multiples, de manière rentable.

Ce procédé, baptisé « remote epitaxy » ou « épitaxie à distance », consiste à faire croître de fines couches de matériau semi-conducteur sur une grande et épaisse plaquette du même matériau, qui est recouverte d’une couche intermédiaire de graphène. Une fois que les chercheurs ont fait croître un film semi-conducteur, ils peuvent le décoller de la plaquette recouverte de graphène et réutiliser la plaquette, ce qui peut être coûteux selon le type de matériau dont elle est faite. De cette façon, l’équipe peut copier et décoller un nombre quelconque de films semi-conducteurs fins et flexibles, en utilisant la même plaquette sous-jacente.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, les chercheurs démontrent qu’ils peuvent utiliser l’épitaxie à distance pour produire des films autoportants de n’importe quel matériau fonctionnel. Plus important encore, ils peuvent empiler des films fabriqués à partir de ces différents matériaux, pour produire des dispositifs électroniques flexibles et multifonctionnels.

Les chercheurs pensent que le procédé pourrait être utilisé pour produire des films électroniques extensibles pour une grande variété d’utilisations, y compris les lentilles de contact à réalité virtuelle, les peaux à énergie solaire qui se moulent aux contours de votre voiture, les tissus électroniques qui réagissent aux conditions météorologiques, et d’autres appareils électroniques flexibles qui semblaient jusqu’à présent être l’étoffe des films Marvel.

« Vous pouvez utiliser cette technique pour mélanger et associer n’importe quel matériau semi-conducteur afin d’obtenir de nouvelles fonctionnalités dans une seule puce flexible », explique Jeehwan Kim, professeur associé de génie mécanique au MIT. « Vous pouvez fabriquer de l’électronique sous n’importe quelle forme. »

Les co-auteurs de Kim sont 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 et Caroline Ross du MIT, ainsi que des collaborateurs de l’université du Wisconsin à Madison, de l’université Cornell, de l’université de Virginie, de l’université de Penn State, de l’université Sun Yat-Sen et de l’institut coréen de recherche sur l’énergie atomique.

Acheter du temps

Jeehwan Kim et ses collègues ont fait part de leurs premiers résultats en utilisant l’épitaxie à distance en 2017. Ils ont alors pu produire des films minces et flexibles de matériau semi-conducteur en plaçant d’abord une couche de graphène sur une plaquette épaisse et coûteuse faite d’une combinaison de métaux exotiques. Ils ont fait couler des atomes de chaque métal sur la plaquette recouverte de graphène et ont constaté que les atomes formaient un film sur le graphène, selon le même schéma cristallin que la plaquette sous-jacente. Le graphène offrait une surface antiadhésive sur laquelle les chercheurs pouvaient décoller le nouveau film, laissant la plaquette recouverte de graphène, qu’ils pouvaient réutiliser.

En 2018, l’équipe a montré qu’elle pouvait utiliser l’épitaxie à distance pour fabriquer des matériaux semi-conducteurs à partir de métaux des groupes 3 et 5 du tableau périodique, mais pas à partir du groupe 4. La raison, ont-ils trouvé, se résumait à la polarité, ou aux charges respectives entre les atomes s’écoulant sur le graphène et les atomes de la plaquette sous-jacente.

Depuis cette réalisation, Jeehwan Kim et ses collègues ont essayé un certain nombre de combinaisons de semi-conducteurs de plus en plus exotiques. Comme l’indique ce nouvel article, l’équipe a utilisé l’épitaxie à distance pour fabriquer des films semi-conducteurs flexibles à partir d’oxydes complexes – des composés chimiques fabriqués à partir d’oxygène et d’au moins deux autres éléments. Les oxydes complexes sont connus pour avoir un large éventail de propriétés électriques et magnétiques, et certaines combinaisons peuvent générer un courant lorsqu’elles sont physiquement étirées ou exposées à un champ magnétique.

Selon Jeehwan Kim, la capacité de fabriquer des films souples d’oxydes complexes pourrait ouvrir la porte à de nouveaux dispositifs consommateurs d’énergie, tels que des feuilles ou des revêtements qui s’étirent en réponse aux vibrations et produisent ainsi de l’électricité. Jusqu’à présent, les matériaux à base d’oxydes complexes n’étaient fabriqués que sur des plaquettes rigides d’un millimètre d’épaisseur, avec une flexibilité limitée et donc un potentiel de production d’énergie restreint.

Les chercheurs ont dû mettre au point leur procédé pour fabriquer des films d’oxyde complexes. Ils ont d’abord découvert que lorsqu’ils essayaient de fabriquer un oxyde complexe tel que le titanate de strontium (un composé de strontium, de titane et de trois atomes d’oxygène), les atomes d’oxygène qu’ils faisaient passer sur le graphène avaient tendance à se lier aux atomes de carbone du graphène, ce qui entraînait l’élimination de morceaux de graphène au lieu de suivre le modèle de la plaquette sous-jacente et de se lier au strontium et au titane. Les chercheurs ont ajouté une deuxième couche de graphène, ce qui est étonnamment simple.

« Nous avons vu qu’au moment où la première couche de graphène est gravée, des composés d’oxyde se sont déjà formés, de sorte que l’oxygène élémentaire, une fois qu’il forme ces composés souhaités, n’interagit pas aussi fortement avec le graphène », explique Kim. « Donc deux couches de graphène font gagner du temps à ce composé pour se former. »

« Peel and Stack » ou « Peler et empiler »

L’équipe a utilisé son nouveau procédé pour fabriquer des films à partir de multiples matériaux d’oxydes complexes, en décollant chaque couche de 100 nanomètres d’épaisseur au fur et à mesure de sa fabrication. Ils ont également été capables d’empiler des couches de différents matériaux d’oxyde complexes et de les coller efficacement ensemble en les chauffant légèrement, produisant ainsi un dispositif flexible et multifonctionnel.

« C’est la première démonstration de l’empilement de membranes de plusieurs nanomètres d’épaisseur comme les blocs LEGO, ce qui a été impossible parce que tous les matériaux électroniques fonctionnels existent sous forme de plaquettes épaisses », explique Kim.

Dans une expérience, l’équipe a empilé des films de deux oxydes complexes différents : la ferrite de cobalt, connu pour se dilater en présence d’un champ magnétique, et le PMN-PT, un matériau qui génère une tension lorsqu’il est étiré. Lorsque les chercheurs ont exposé le film multicouche à un champ magnétique, les deux couches ont travaillé ensemble pour se dilater et produire un petit courant électrique.

Les résultats montrent que l’épitaxie à distance peut être utilisée pour fabriquer des appareils électroniques flexibles à partir d’une combinaison de matériaux ayant des fonctionnalités différentes, qui étaient auparavant difficiles à combiner en un seul appareil. Dans le cas de la ferrite de cobalt et du PMN-PT, chaque matériau a un modèle cristallin différent. Selon Kim, les techniques d’épitaxie traditionnelles, qui font croître des matériaux à haute température sur une seule plaquette, ne peuvent combiner des matériaux que si leurs motifs cristallins correspondent. Il ajoute qu’avec l’épitaxie à distance, les chercheurs peuvent fabriquer un nombre illimité de films différents, en utilisant différentes plaquettes réutilisables, et les empiler ensuite ensemble, quel que soit leur motif cristallin.

« L’idée générale de ce travail est qu’il est possible de combiner ensemble des matériaux totalement différents en un seul endroit », explique Jeehwan Kim. « Maintenant, vous pouvez imaginer un dispositif mince et flexible fait de couches qui comprennent un capteur, un système informatique, une batterie, une cellule solaire, de sorte que vous pourriez avoir une puce flexible, auto-alimentée et empilée sur l’internet ».

L’équipe explore diverses combinaisons de films semi-conducteurs et travaille au développement de prototypes, comme ce que Kim appelle un « tatouage électronique » – une puce flexible et transparente qui peut s’attacher et se conformer au corps d’une personne pour détecter et relayer sans fil des signes vitaux tels que la température et le pouls.

« Nous pouvons maintenant fabriquer des appareils électroniques minces, flexibles et portables avec une fonctionnalité maximale », explique Kim. « Il suffit de la décoller et de l’empiler ».

Cette recherche est le fruit d’une étroite collaboration entre les chercheurs du MIT et de l’Université du Wisconsin à Madison, qui a été soutenue par l’Agence des projets de recherche avancée de la Défense.

http://news.mit.edu/2020/flexible-electronics-stacks-chips-0205