Een chip om te verfrommelen

Een flexibele schakeling, kort na de productie, drijvend op water. Foto’s Salvatore e.a.

In een bakje water drijft de microchip van de toekomst. Het is een kreukelig vliesje, doorzichtig en zo dik als een boterhamzakje. Transistors, contacten, weerstanden en sensoren zijn met het blote oog nauwelijks zichtbaar, maar toch is dit natte lapje een snelle elektronische schakeling.

Op foto’s in zijn publicatie in Nature Communications van 7 januari toont eerste auteur Giovanni Salvatore (ETH Zürich) wat deze elektronica kan. Hij drapeert het dunne materiaal over een mensenhaar, zonder dat het breekt. Hij laat zien hoe makkelijk het blijft kleven op een plantenblad. En een luchtbelletje dat opborrelt uit het water, tilt het membraan omhoog. „Het is moeilijk te zien”, zegt postdoc Salvatore lachend. „Maar de foto toont aan hoe licht het allemaal is.”

Salvatores chip is een membraan, gemaakt van biologisch afbreekbare kunststoffen, zinkoxide en een minieme hoeveelheid metalen. De chip kan meer dan een miljoen signalen per seconde verwerken.

Dunne, flexibele elektronica staan in de belangstelling. Op de grote consumentenelektronicabeurs CES in Las Vegas onthulden Aziatische elektronicaproducenten begin januari buigbare beeldschermen met een beelddiagonaal van meer dan twee meter. „Displays zijn interessant”, zegt Salvatore, „maar ons gaat het om biomedische toepassingen. Voor de beeldschermen in grote televisies zijn schakelingen nodig die 100 of 200 signalen per seconden kunnen verwerken. De elektronica in toepassingen waar wij ons op richten, zoals sensoren en identificatie met radiogolven, werkt veel sneller. Dat stelt hogere eisen aan de eigenschappen van het materiaal.”

De Zwitserse chip is niet het eerste voorbeeld van flexibele elektronica. Salvatore en zijn collega’s van de ETH verwijzen in hun studie drie keer naar werk van de Amerikaanse chemicus en fysicus John Rogers. Rogers, hoogleraar aan de universiteit van Illinois, ontwikkelde in 2008 een printproces om kristallijn silicium zo dun aan te brengen dat dit materiaal soepel wordt.

In plaats van silicium gebruikte Salvatore als halfgeleider zinkoxide, gedoteerd met indium en gallium, metalen die ervoor zorgen, dat elektronen beter door het onregelmatig gestapelde (amorfe) kristal bewegen. Die halfgeleider werd tien jaar geleden ontwikkeld in Japan; de technologen in Zürich combineerden hem voor het eerst met een flinterdunne, flexibele onderlaag.

„Deze amorfe halfgeleiders zijn een compromis tussen grootschalige productie, elektrische prestaties en productiekosten”, zegt Salvatore. Zijn schakeling is ruim 20 keer trager dan die van Rogers.

Salvatore: „Halfgeleiders van kristallijn silicium, zoals Rogers die toepast, hebben in potentie heel goede eigenschappen, maar de productie is relatief duur en ingewikkeld.”

Rogers’ bedrijf MC10 werkt aan flexibele elektronica die als een tweede huid op het lichaam moet passen. Als het werkt, kunnen draadloos en zonder veel ongemak de temperatuur van een patiënt of de hartslag van een ongeboren baby geregistreerd worden. Als eerste toepassing brengt MC10 een kapje op de markt met een flexibele sensor die meet of de hoofden van American Footballers niet te veel dreunen incasseren.

Een uur weken

De elektronica uit Zürich is een concurrent voor Rogers’ ‘tweede huid’ van flinterdun silicium. De foto van het drijvende membraan op het water toont de laatste stap in een ingenieus productieproces. Op de bodem van het schaaltje ligt nog een schijfje hard materiaal waarvan het vlies met elektronica na een uur weken is losgekomen. De kern van Salvatores techniek is dat hij onder de elektronica een oplosbaar tussenlaagje aanbracht en een flexibele onderlaag. De rest van het proces is conventioneel en voor chipmakers een eenvoudig proces: dunne laagjes opbrengen en wegetsen om een elektronische schakeling te maken.

In een e-mail reageert Rogers gematigd enthousiast op de Zwitserse concurrentie. Hij noemt het materiaal en het productieproces van Salvatore een „waardevolle bijdrage aan het palet van mogelijkheden” voor dunne en flexibele elektronica. „Maar voor de meeste toepassingen die wij voor ogen hebben, is veel rekenkracht en geheugen nodig. Dan is en blijft silicium de sleutel.”

Even later verstuurt hij nog een tweede mail, alsof hij de verhoudingen duidelijk wil maken: „toevalligerwijs doet Giovanni Salvatore als postdoc tijdelijk onderzoek in mijn lab”.

In een filmpje dat hoort bij de publicatie pakt Salvatore het elektronicamembraan voorzichtig op met een pincet, en legt het op een contactlens. De lens plaatst hij op een plastic model van een oog. Wat dat precies betekent? „Met een schakeling die wij in ons artikel beschrijven, zou je met een contactlens de druk in het oog kunnen meten”, legt Salvatore uit. „Op ons membraan hebben we de druksensors en transistors aangebracht die nodig zijn om dat te kunnen doen. Lenzen met ingebouwde elektronica zijn nu al op de markt. Ze worden gebruikt door mensen met chronische oogklachten, maar ze zijn oncomfortabel.”

Op een echt oog werkt het nog niet, want er is een onderzoeker nodig om een stroomdraadje tegen de contactpunten te drukken. Salvatore: „Draadloos verbinden is de stap die we nu moeten maken.”