Les semi-conducteurs souples qui s’étirent comme la peau humaine peuvent détecter des niveaux de lumière ultra-faibles

Les semi-conducteurs souples qui s'étirent comme la peau humaine peuvent détecter des niveaux de lumière ultra-faibles

Le professeur Canek Fuentes-Hernandez voit un grand potentiel dans l’utilisation de photodétecteurs souples et extensibles hautes performances pour permettre aux oxymètres de pouls, comme celui qu’il tient dans sa main, de devenir plus ergonomiques et de consommer moins d’énergie. Crédit : Canek Fuentes-Hernandez

Les semi-conducteurs s’éloignent des substrats rigides, qui sont découpés ou façonnés en disques minces ou en plaquettes, vers des matériaux plastiques plus flexibles et même du papier grâce aux nouvelles découvertes de matériaux et de fabrication. La tendance vers des substrats plus flexibles a conduit à la fabrication de nombreux dispositifs, des diodes électroluminescentes aux cellules solaires et aux transistors.

Les chercheurs de Georgia Tech ont créé un matériau qui agit comme une seconde couche de peau et est jusqu’à 200 % plus extensible que sa dimension d’origine sans perdre de manière significative son courant électrique. Les chercheurs affirment que les photodétecteurs souples et flexibles pourraient améliorer l’utilité des capteurs médicaux portables et des dispositifs implantables, entre autres applications. La recherche sera publiée le 15 décembre dans la revue Avancées scientifiques.

Les chercheurs de Georgia Tech des laboratoires d’ingénierie mécanique et informatique ont collaboré pendant trois ans pour démontrer un nouveau niveau d’extensibilité pour un photodétecteur, un dispositif fabriqué à partir d’un polymère synthétique et d’un élastomère qui absorbe la lumière pour produire un courant électrique.

Les photodétecteurs sont aujourd’hui utilisés comme dispositifs portables pour la surveillance de la santé, tels que les appareils de lecture d’oxymètres de pouls rigides du bout des doigts. Ils convertissent les signaux lumineux en signaux électriques et sont couramment utilisés sur les appareils électroniques portables.

Extensible comme un élastique

Étant donné que les semi-conducteurs flexibles conventionnels se cassent sous quelques pourcentages de contrainte, les résultats de Georgia Tech sont « une amélioration de l’ordre de grandeur », a déclaré Olivier Pierron, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, dont le laboratoire mesure les propriétés mécaniques et la fiabilité de l’électronique flexible dans des conditions extrêmes.

« Pensez à un élastique ou à quelque chose qui est doux et extensible comme la peau humaine mais qui a des propriétés semi-conductrices électriques similaires à celles des semi-conducteurs solides ou rigides », a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, co-PI anciennement à la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) et maintenant professeur agrégé en génie électrique et informatique à la Northeastern University de Boston. « Nous avons montré que vous pouvez intégrer l’extensibilité dans les semi-conducteurs qui conservent les performances électriques nécessaires pour détecter des niveaux de lumière qui sont environ cent millions de fois plus faibles que ceux produits par une ampoule utilisée pour l’éclairage intérieur », a-t-il déclaré.

Une ténacité et un travail d’équipe extraordinaires

Bernard Kippelen, vice-recteur aux initiatives internationales et professeur à l’ECE, a supervisé les travaux de Youngrak Park, premier auteur de l’étude et titulaire d’un doctorat. candidat à l’ECE. Après deux ans et demi de recherche, Park a découvert la bonne combinaison de composés chimiques qui a produit un matériau ultra-doux avec la capacité de générer et de conduire de l’électricité lorsqu’il est exposé à la lumière.

Park a trouvé le rapport parfait pour toutes les parties de la couche semi-conductrice afin de maintenir des performances élevées dans le photodétecteur. Mais ce fut un travail minutieux pour prouver l’extensibilité des matériaux, d’autant plus qu’une seule couche était 1 000 fois plus fine qu’un cheveu humain.

Park s’est appuyé sur Kyungjin Kim, alors titulaire d’un doctorat en technologie de Georgia. étudiant en génie mécanique, pour tester la fiabilité du matériau. Il a continué à fournir à Kim des échantillons plus gros et plus épais jusqu’à ce qu’un d’une épaisseur de 500 nanomètres fonctionne.

« Il était encore très fin. Dans des conditions sèches, il s’effondrerait simplement. Nous devions utiliser un réservoir d’eau pour garder sa forme », se souvient Kim, maintenant professeur adjoint au département de génie mécanique de l’Université du Connecticut.

Expliquant à quel point il était difficile de mesurer les propriétés mécaniques pures d’une couche photoactive, Pierron a noté : « Les appareils électroniques sont généralement très cassants, ce qui convient aux appareils conventionnels fabriqués sur des substrats rigides. Mais dès que vous utilisez des substrats mous, cela devient un problème. . »

L’eau a agi comme une pellicule plastique, maintenant les films minces en place sans s’effriter ni se déformer, permettant aux chercheurs d’étirer le matériau et de mesurer ses propriétés mécaniques.

Les semi-conducteurs souples qui s'étirent comme la peau humaine peuvent détecter des niveaux de lumière ultra-faibles

Kyungjin Kim faisant la démonstration d’un film élastomère étiré. Pendant son séjour à Georgia Tech, Kim a été co-encadré par Olivier Pierron, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering et par Samuel Graham, ancien président de la Woodruff School of Mechanical Engineering. Crédit : Kyungjin Kim

Pour tester les signaux électriques sortant de l’appareil sous éclairage, des bornes électroniques devaient y être intégrées. Pourtant, ces bornes devaient également être déformables, sinon l’ensemble du dispositif deviendrait rigide.

« La fabrication de terminaux électroniques extensibles était un défi majeur en soi », a déclaré ECE Ph.D. Felipe Andres Larrain, diplômé, qui a travaillé en étroite collaboration avec Park et s’est concentré sur les composants embarqués. Il est aujourd’hui professeur assistant à l’Université Adolfo Ibáñez au Chili.

Bien que ce matériau révolutionnaire ait été initialement intégré dans un photodétecteur et testé pour sa fonctionnalité électrique, des tests et une optimisation supplémentaires sont nécessaires pour montrer l’extensibilité des matériaux sous des charges multimodales et sa stabilité en rayon.

« Ce qui est passionnant, c’est ce que ces matériaux et ces appareils nous permettront de développer, à savoir le concept de systèmes d’intelligence. Vous avez des surfaces fonctionnelles qui combinent des capteurs qui surveillent toutes sortes de propriétés physiques », a déclaré Graham, ancien président de la Woodruff School of Génie mécanique et maintenant doyen de l’ingénierie à l’Université du Maryland.

« C’est un très bon exemple de recherche interdisciplinaire – aucun de ces travaux n’aurait été possible sans la collaboration entre les ingénieurs électriciens et mécaniciens », a déclaré Kippelen. « Au laboratoire, nous n’avions aucune expérience préalable avec les matériaux extensibles. Trouver comment mesurer cela a demandé beaucoup de persévérance, de créativité et de travail acharné. »

De nouvelles applications intelligentes possibles

Les chercheurs sont très enthousiasmés par le potentiel du matériau pour améliorer les appareils médicaux portables. En règle générale, les montres-bracelets qui utilisent des biocapteurs rigides ont des limites car fléchir le poignet peut complètement modifier les mesures du capteur. Ils sont sujets à des « artefacts de mouvement » ou à une qualité d’image dégradée, causés lorsqu’une personne bouge.

« Se déplacer peut considérablement affecter l’utilisation des données collectées, mais pouvoir repositionner des appareils sur le corps pour minimiser ou éliminer les artefacts de mouvement est un gros problème », a noté Gabriel Cahn, chef de projet pour Huxley Medical, une startup de biocapteurs à Atlanta, qui récemment diplômé de Georgia Tech avec un doctorat en électronique flexible. « Le fait d’avoir une électronique qui peut fléchir, tordre, se plier et se conformer à des surfaces non planes et se déplacer avec votre corps vous permettra de placer ces capteurs dans des endroits plus avantageux pour collecter des données biométriques. Il sera infiniment plus utile pour aider à diagnostiquer ou surveiller l’existant maladies médicales. »

L’équipe de recherche prévoit de riches applications pour le mélange de polymères souples et extensibles au-delà des appareils portables pour la surveillance de la santé. « Le dispositif souple pourrait également être attrayant pour l’électronique implantable pour les applications bio-électroniques, car les interfaces se conforment au mouvement dynamique des tissus biologiques mous, réduisant ainsi la réaction aux corps étrangers », a déclaré Kim.

« Le potentiel est fantastique », a ajouté Larrain. « À long terme, vous pourriez développer des capteurs qui pourraient améliorer ou même remplacer l’œil humain ou être appliqués aux yeux robotiques. »

Fuentes voit le matériel fonctionner dans des applications d’agriculture intelligente, où les agriculteurs pourraient attacher des capteurs de lumière aux fruits ou à d’autres produits pour surveiller la croissance, les maladies et pour mieux anticiper la récolte.

Kippelen pense que les photodiodes en caoutchouc qui détectent les niveaux de lumière ultra-faibles pourraient trouver des applications dans la détection, l’identification et la caractérisation des rayonnements ionisants pour la surveillance du cycle du combustible nucléaire.


Développement de dispositifs électroluminescents « super flexibles »


Plus d’information:
Youngrak Park et al, Photodiodes organiques élastomères à faible bruit de type peau, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126/sciadv.abj6565

Fourni par le Georgia Institute of Technology

Citation: Les semi-conducteurs souples qui s’étirent comme la peau humaine peuvent détecter des niveaux de lumière ultra-faibles (2021, 15 décembre) récupérés le 15 décembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-12-soft-semiconductors-human-skin-ultra- bas.html

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