Standfor Üniversitesi araştırmacıları, bir katkı maddesi yardımıyla karbon filamentlerin elektronik performanslarını artıran ve böylece bükülebilir dijital cihazların yolunu kolaylaştıran bir proses icat ettiler.

Mühendisler, katlanarak cebe sığabilen elektronik okuyucular gibi esnek elektronik aletler yaratmayı çok severler. Bu amaç için uygulanan yaklaşımlardan birisi de sert silikon çipler yerine karbon nanotüpler (KNT) gibi elektronik fiberlere dayanan devrelerin tasarımını gerektiriyor.

Bu tür çalışmalarda ve ürünlerde güvenirlilik temel esastır. Çoğu silikon çipler güçte dalgalanmalar olsa bile pürüzsüz çalışma imkanı sağlayan devreleri baz alır. Ancak bunu KNT devrelerle gerçekleştirmek zordur.

Doping flexible CNTStanford'da bir grup, silikon devrelerdek ile aynı şekilde güç değişimlerinden etkilenmeyen esnek çipler yaratmak için bir proses geliştirdiler. Standard üniversisi kimya mühendisliği profesörü Zhenan Bao'ya göre "Bu, hem elektriksel parazitlere karşı bağışıklığı yüksek hem de düşük enerji tüketimiyle çalışan tasarlanmış ilk esnek KNT devre." 


Bao Lab, buluşlarını Proceedings of the National Academy of Sciences'te yayımladı. Huiliang (Evan) Wang, Bao'nun laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi; ve Peng Wei, Bao'nun laboratuvarındaki eski bir doktora sonrası araştırmacısı, yayının baş yazarları. Stanford'da malzeme bilimi yardımcı profesörü Yi Cui ve laboratuvarındaki yüksek lisans öğrencisi Hye Ryoung Lee, Bao'nun takımının diğer üyeleri.

Prensipte, KNT'ler esnek elektronik devreler için ideal olmalılar. Bu ultra-ince karbon filamentler eğmeye ve bükmeye dayanabilecek yeterli fiziksel güce ve herhangi bir elektriksel işlevi yerine getirebilecek iletkenliğe sahip.

Ama Stanford'dan bir grubun yakın zamandaki çalışmasına kadar esnek KNT devreler sert silikon çipler kadar güvenilir ve güç açısından verimli değildi.
İşte nedeni: Mühendisler zaman içinde elektrik akımının yarı-iletkenler üzerinde iki değişik yoldan ilerlediğini keşfettiler. Pozitif kutuptan negatif kutba zıplayabilir veya negatif elektronlar bir kolyenin boncukları gibi birbirini iter. İlk yarı-iletkenler P-tipi, ikincisi N-tipi olarak isimlendirilir.

En önemlisi, mühendisler P-tipi ve N-tipi iletkenlerin bileşimine dayanan güç dalgalanmalarına karşı güvenilir ve daha az enerji kullanan bir devre icat ettiler. Bu iki tip iletkeni de içeren devrelere tamamlayıcı devre denmektedir.

Geçtiğimiz 50 yıl boyunca, mühendisler silikonun atomik yapısını katkı maddeleriyle değiştirerek ideal iletken yolu yaratmaya çalıştılar. "Katkılama" olarak adlandırılan bu proses binlerce yıl önce atalarımızın tenekeye erimiş bakır katarak bronz elde etmesiyle aynı konsepttedir.

Stanford takımının karşılaştığı zorluk, bu KNT'lerin P-tipi yarı-iletkenlerin baskın olması ve karbon filamentlerine N-tipini eklemenin kolay bir yolu olmamasıydı.
PNAS'ın makalesinde Stanford mühendislerinin bu sorunu nasıl çözdüğü açıklanıyor. Geliştirdikleri ve DMBI olarak adlandırdıkları bir kimyasal katkıyla KNT'leri geliştiriyorlar. Bu maddeyi devre üzerindeki belirli yerlerde tutmak için mürekkep püskürtmeli yazıcı kullandılar.

Düşük enerjiyle güç dalgalanmalarına rağmen güvenilir bir şekilde çalışan P-N karışımını yaratmak için ilk kez KNT devresine katkı eklenmiştir.
Stanford prosesinin aynı zamanda sert KNTlere de uygulanma potansiyeli var. Diğer mühendislerin daha önce sert KNTleri elektriksel parazitlere karşı bağışıklığını artırmak için katkılamalarına rağmen kesin ve düzgün ayarlanmış Stanford prosesi bu önceki çabalara da karşılık veriyor ve hem esnek hem de sert KNT devreler için avantajlı gözüküyor.

Bao, özelleştirilmiş plastikler gibi diğer deneysel malzemelerle yarışan esnek KNTlere odaklanmıştı ve silikonun sert elektroniklerin temeli olduğu gibi, bükülebilir olanların vazgeçilmezi olmayı amaçlamıştı.

Diğerlerine göre daha yeni bir malzeme olarak KNTler, bükülebilir ekranlar gibi büyük bir piyasada yer alan plastiklere yetişmek üzereler. Stanford katkılama prosesi, esnek KNTleri ticarileşmeye yaklaştırıyor; çünkü o nasıl P-N karışımı devreler yaratılabileceğini gösteriyor ve sonucunda güvenilirlik ve güç tüketimindeki ilerlemeler zaten kullanılan plastik devrelerdekilerdeki gibi.

Çalışmaların çoğu KNTleri ticarileştirmeye yönelik olsa da Bao, karbon filamentlerinin esnek elektroniklerin geleceği olduğuna inanıyor. Çünkü bükülebilecek ve esneyebilecek kadar güçlü ve plastik devrelerden daha ileri bir iletim performansına sahipler.
"CNTler en iyi uzun dönem elektronik ve fiziksel özellikleri sunuyorlar." diyor Bao.

Tom Abate, Stanford Mühendisliğin yardımcı iletişim direktörüdür.

Orijinal metin için: http://engineering.stanford.edu/news/stanford-engineers-make-flexible-carbon-nanotube-circuits-more-reliable-efficient

Türkçe'ye hazırlayan: Begüm Günerden