IT-Байки: Прозрачная и невидимая электроника / Аналитика

Перечитывая порой фантастические романы пятидесятилетней давности, по-своему становится неловко за талантливых в общем авторов, предрекавших, тем не менее, светлое будущее XXI века в виде огромных вычислительных машин на лампах, с перфолентами и прочими атрибутами вроде "мигающих огоньков приборной панели". Вот и "IT-байки про будущее", особенно о перспективах электроники – сбудутся ли? Изобретение, о котором сегодня речь, в перспективе может пригодиться, например, для превращения всей поверхности лобового стекла автомобиля в совершенно прозрачный и в то же время информативный многоцветный дисплей. Или стать прототипом нового поколения носителей класса "электронная бумага" – столь дешёвых и доступных, что из такой бумаги не то что электронные книги делать – ею будет не жалко обклеивать окна. А уж какую одежду можно будет делать из такого материала! Прозрачную или полупрозрачную, отливающую всеми цветами радуги или меняющую рисунок также легко, как сейчас мы меняем одну музыкальную композицию в MP3 плеере на другую. А может быть, всё будет совсем не так, и все эти сегодняшние фантазии через десяток-другой лет будут выглядеть так же смешно, как ламповые компьютеры фантастов на ионных космических кораблях? Ведь неведомые свойства новых материалов всегда приводят к изобретению совершенно неожиданных форм их использования… Что ж, пусть будет как будет и совсем неважно как и в какой последовательности. Главное в том, что будущее зарождается именно сейчас, на наших глазах, и "прозевать" такие интересные и многообещающие новости было бы обидно.

О работах и открытиях, сделанных в области создания прозрачной и полупрозрачной электроники (также порой называемой "невидимой" электроникой"), мы пишем достаточно регулярно, как только появляется что-то стоящее, на 3NDews обязательно появляется публикация, в разделе "IT-байки" или в новостях. Однако открытие, сделанное недавно в стенах инженерной школы Витерби при кафедре электротехники Университета Южной Калифорнии (Viterbi School of Engineering, Department of Electrical Engineering, University of Southern California), позволит значительным образом приблизить времена массового производства прозрачной и гибкой электроники.

В публикации под названием "Transparent Electronics Based on Printed Aligned Nanotubes on Rigid and Flexible Structures", опубликованной на днях в журнале ACS Nano, рассказывается о том, что коллектив исследователей под руководством профессора Чонгву Чжоу (Chongwu Zhou) нашёл решение проблемы нанесения плотных матриц углеродных нанотрубок не только на жаропрочное стекло, но также на гибкие и прозрачные пластиковые подложки, весьма восприимчивые даже к минимальному нагреву. Более того, учёным удалось не просто интегрировать решётчатые массивы транзисторов на базе нанотрубок в прозрачный пластик, при этом они также ухитрились найти способ подключения к этим структурам серийно выпускаемых светодиодов на основе нитрида галлия (GaN), способных при подаче напряжения изменять яркость свечения в тысячу раз. Казалось бы, современного читателя трудно удивить какими-то прорывами в области создания прозрачной электроники – ведь столько раз уже писали про это в самых разных вариациях. Однако если копнуть чуть глубже, выясняется, что многие технологии получения прозрачных тонкоплёночных транзисторов (transparent thin-film transistor, TTFT) обладают значительным изъяном. А именно, большинство полупроводниковых материалов, используемых в прозрачных полупроводниковых устройствах (GaN In, GaZnO, In₂O₃), позволяют получить транзисторы с относительно невысокой подвижностью и производительностью, к тому же сравнительно легко получается только один тип транзисторов с каналом n-типа, а вот с транзисторами p-типа, без которых, например, немыслимы CMOS-приборы, большая проблема. Прозрачная полупроводниковая технология с использованием тонкоплёночных транзисторов на основе углеродных нанотрубок с толщиной стенок этих самых трубок всего в один атом (single-walled carbon nanotube, SWNT) позволяет получать транзисторы обоих типов. При этом трубки используются в качестве активного канала, а используемые с ними электроды из оксида индия-олова выполняют функции классического истока, затвора и стока. Теперь – вкратце о сути технологии, о том как происходит создание прозрачной электроники.

Первым делом на кварцевой подложке выращиваются нанотрубки. Затем они "печатаются" на стеклянную или полиэтиленовую подложку с предварительно нанесёнными электродами затвора из оксида индия-олова (indium-tin oxide, ITO), и далее наносятся прозрачные электроды стока и истока. В отличие от нетрассированных способов нанесения нанотрубок, масштабная техника структурирования нанотрубок позволяет получить транзисторы с высокой производительностью, высокой прозрачностью и механической гибкостью.

Ниже – снимок электронного микроскопа: нанотрубки, перенесённые и "впечатанные" в стеклянную подложку.

На снимке электронного микроскопа ниже - процесс создания электродов стока и истока из ITO на стеклянной подложке. На врезке – нанотрубки с мостиками ITO электродов.

Интересно также отметить, что способ, разработанный учёными из Университета Южной Калифорнии, позволяет получать чипы с достаточно высоким быстродействием, с высокой плотностью структуры нанотрубок. Первоначально учёным удалось создать прозрачные транзисторы p-типа на стеклянных подложках с прозрачностью порядка 80% в видимом диапазоне, при этом полученные образцы обладали высокой подвижностью – порядка 1300 см²В^-1с^-1 и высоким соотношением включения-выключения (3*10⁴). На иллюстрации ниже размещено схематическое изображение и характеристики прозрачных транзисторов на основе нанотрубок, размещённых на стеклянной подложке.

схематическое изображение и характеристики прозрачных транзисторов на основе нанотрубок, размещённых на стеклянной подложке

Далее были проведены эксперименты по получению прозрачных чипов на полиэтиленовых подложках, также с 80% прозрачностью. В результате получились гибкие PMOS инверторы с усилением 0.38 при напряжении V_DD=5В. Представьте себе, на прозрачном бесцветном диске диаметром 5 дюймов (125 мм), гибком и упругом как игральная карта, учёные размещают массив с более чем 20 тысячами транзисторов на базе нанотрубок. На снимке ниже – именно такой диск, и вы сами можете оценить его прозрачность.

диск диаметром 5 дюймов (125 мм), гибкой и упругий как игральная карта, на нём массив с более чем 20 тысячами транзисторов на базе нанотрубок

На этом снимке – готовый "прозрачный чип" на полиэтиленовой основе, испытания на гибкость.

Ещё одна иллюстрация, посвящённая характеристикам прозрачных транзисторов на основе нанотрубок, размещённых на полиэтиленовой подложке. Обратите внимание на оптический коэффициент прозрачности (a), изменение вольт-амперных характеристик в зависимости от угла изгиба (b), крутизны характеристики прямой передачи и тока в зависимости от угла изгиба (c), а также кривые нарастания кривой при различных напряжениях затвора при разных углах сгиба.

характеристики прозрачных транзисторов на основе нанотрубок, размещённых на полиэтиленовой подложке

Также оказались успешными эксперименты по созданию прозрачных полупроводниковых матриц, управляющих промышленно выпускамемыми GaN светодиодами с коэффициентом яркости 10³. Ниже наглядно иллюстрируется принцип работы полностью прозрачного устройства на полиэтиленовой подложке на базе транзисторов из углеродных трубок в виде PMOS инверторов, играющих роль модуля управления светодиодной матрицы.

принцип работы полностью прозрачного устройства на полиэтиленовой подложке на базе транзисторов из углеродных трубок в виде PMOS инверторов, играющих роль модуля управления светодиодной матрицы

Вот эта иллюстрация – особенно нижняя её часть (f), особенно впечатляют, в первую очередь, своей практичностью. Представьте себе, ещё каких-то 10-15 лет назад, глядя на ЖК экран, просто не верилось, что такой огромный массив ЖК кристаллов сможет бесперебойно работать более-менее продолжительное время. Да уж, когда-то и монохромные ЖК-дисплеи были диковинкой, а десятки "горячих" и "мёртвых" пикселей не были редкостью. Сейчас же покупатели готовы поднять шум даже по поводу единственного неработающего пикселя цветного монитора (или CMOS/CCD матрицы фотоаппарата), содержащих миллионы пикселей. А ведь сравнительно недавно учёные с придыханием наблюдали за работой первых ЖК матриц – так же, как мы сейчас наблюдаем рождение первых гибких прозрачных светодиодных дисплеев на углеродных трубках. И вся прелесть идеи в том, что всё это можно уже сейчас переносить на масштабы относительно недорогого массового низкотемпературного производства. Более того, "печатная" суть технологии переноса углеродных нанотрубок позволяет организовать процесс массового производства без нагрева до высоких температур, что весьма критично при производстве прозрачной электроники на гибких полиэтиленовых подложках.

А вот теперь – самое время помечтать о перспективах "невидимой электроники", причём, помечтать без особого риска остаться в дураках с "ламповыми компьютерами на борту звездолёта". Что ж. Скажем… хочу очки. Внешне - обычные прозрачные очки, которые становятся "хамелеонами" как автоматически, реагируя на освещённость, так и по моему желанию (мало ли когда захочется скрыть бесстыжие глаза). А ещё в эти очки будет встроена система GPS, которая будет подсказывать правильный поворот при длительных велопрогулках. А ещё эти очки при поездке в метро будут показывать мне пропущенную серию "Доктора Хауса", да не абы как, а в качественном 3D режиме, и при этом на внешней затемнённой в этот момент стороне очков будет красоваться какая-нибудь уместная надпись – что-то вроде Do not disturb. В рабочем кабинете я обязательно обклею такой прозрачной "электронной бумагой" все окна. Пусть регулируют прозрачность в зависимости от моего настроения или яркости солнышка за окном, а заодно пусть показывают мне температуру за окном и дома, а заодно и свежие новости 3DNews, курс валют и список полученных за ночь писем, будет чем заняться во время утренней зарядки. Всё, больше мне пока от прозрачных дисплеев ничего не нужно. Пока ничего. Так что передаю эстафету фантазий вам, дорогие читатели. Сдаётся мне, сейчас – самое время пофантазировать о способах применения гибкой прозрачной электроники, ибо производители вот-вот начнут ломать голову в поисках идей на предмет чем же этаким заинтересовать первых покупателей прозрачных электронных диковинок.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: