אלקטרוניקת העתיד: שבבים מודפסים ממתכת נוזלית

חוקרים מאוסטרליה פיתחו טכנולוגיה שעשויה להגדיל משמעותית את כוח העיבוד של רכיבים אלקטרוניים בעתיד. הטכנולוגיה עושה שימוש בטכניקות מתקדמות של הדפסה דו-ממדית כדי לייצר שבבים ומעגלים חשמליים בעובי של אטומים בודדים בלבד.

רכיבים אלקטרוניים מורכבים מחומרים "מוליכים למחצה" – תרכובות עמידות מאוד ובעלות הולכה חשמלית גבוהה. כושר העיבוד של השבבים תלוי בין השאר בעובי ובאחידות של שכבת המוליך למחצה שמצפה אותם – ככל שהיא דקה ואחידה יותר כך עולה מוליכות החשמל ואיתה יעילות השבבים.

שיטות הייצור הקיימות בעולם האלקטרוניקה מוגבלות ביכולתן לשפר את פעולת השבבים המוכרים לנו. "הטכנולוגיה הבסיסית של מנועי מכוניות לא התקדמה מאז שנת 1920, וכעת מתרחש אותו דבר בעולם האלקטרוניקה. מכשירים סלולריים ומחשבים אינם חזקים יותר משהיו לפני חמש שנים", מסביר קורוש קלנטאר-זאדה (Kalantar-Zadeh) מהמכון הטכנולוגי המלכותי של מלבורן. "לכן טכניקות ההדפסה הדו-ממדית חשובות כל כך – יצירת שכבות רבות של שבבים אלקטרוניים דקיקים מגדיל בצורה דרמטית את כוח העיבוד ומצמצם את ההוצאות".

במחקר שהוביל קלנטאר-זאדה, ופורסם בכתב העת Nature Communications, הוצגה שיטה חדשה ליצירת מעגלים מודפסים, באמצעות מתכות בעלות טמפרטורת התכה נמוכה כמו גליום ואינדיום. שימוש במתכות במצב נוזלי מאפשר לפזר אותן בצורה אחידה על פני משטח השבב, אך גם דורש בדרך כלל טמפרטורות גבוהות מ-500 מעלות צלזיוס, כפי שהודגם בשיטות קודמות, ולכן אינו מתאים בדרך כלל לייצור מערכות אלקטרוניות.

גליום ואינדיום מייצגות לכאורה פתרון מבטיח, שכן אפשר להתיך אותן בטמפרטורות נמוכות יחסית ובניגוד למתכות נוזליות אחרות כמו כספית, הן אינן רעילות. בחשיפה לאוויר הן נוטות לספוח שכבה דקה מאוד של חמצן וכך ליצור תחמוצת, בדומה לתהליך ההחלדה של ברזל. בתהליך ההדפסה התחמוצת נצמדת בחוזקה למשטח השבב, ולאחר רידוד וסילוק שאריות נוצרת על גביו שכבה דקה ביותר של מתכת. לסיום חושפים את התחמוצת לגופרית וכך ממירים אותה לחומר מוליך למחצה – למשל גליום גופרתי.

עובי שכבת המוליך למחצה שיצרו במעבדה היה 1.5 ננומטרים בלבד – עובי של אטומים ספורים, דק בהרבה ממה שאנחנו יודעים לייצר בשיטות הקיימות. בנוסף, השבב שנוצר גמיש מאוד ואפשר לייצר אותו בצורות ובגדלים שונים בהתאם לצורך, על ידי יציקת המתכת הנוזלית בתבניות מוגדרות. צוות המחקר אף הדגים שמכשור אופטי ואלקטרוני המכיל מעגל מגליום גופרתי תפקד באותה יעילות כמו מכשירים קיימים, ולעתים אף למעלה מכך.

כעת מטרת החוקרים היא לבדוק אם יוכלו להשתמש במוליכים למחצה נוספים להדפסה באותה שיטה. על פי קלנטאר-זאדה, ביסוס הטכניקה הזו בתעשיית האלקטרוניקה "יאפשר את המהפכה הבאה בתחום".