美研究人员在木纤维柔性基板制作关键电子器件,成本低易分解不会留电子垃圾

美国威斯康星大学麦迪逊分校电气和计算机工程教授Zhenqiang Jack Ma带领研究人员在木纤维上制成的柔性基板上构建了一个功能性的微波放大器电路,后者通常是无线通信中常用的电子器件,为现代通信提供动力。研究成果发表在《自然-通讯》杂志上。

美研究人员在木纤维柔性基板制作关键电子器件,成本低易分解不会留电子垃圾

柔性电子器件的前景

研究人员表示,在不远的将来,柔性电子产品将为可折叠手机、可卷起的平板电脑、薄纸显示屏和监测健康数据的可穿戴传感器等新产品打开大门。然而,开发这些新的柔性产品意味着使用新型塑料和薄膜等材料来取代目前占据手机和其他小工具内部的刚性电路板和笨重的电子元器件。

应用前景

事实证明,用于无线通信的微波器件很难以柔性形式生产,通常是在集成半导体芯片上构建或印刷在电路板上。但包括薄膜晶体管和其他器件的柔性版本,Ma已经研制了十多年,可能会在可穿戴设备、无人机及作为5G无线网络和先进通信系统中使用的大面积微波阵列的一部分得到广泛的应用。

技术进展

之前制造柔性微波放大器使用了刚性的半导体基集成电路,将其减薄后移到柔性基板上,这是一种成本高昂的方法。

在新的放大器中,Ma首先使用纤维素纳米纤维纸作为基板,并评估了使用该材料作为柔性电子电路基板的可行性。这种纸的制作方法是将木纤维分解成纳米级的纤维,或者说是微小的细长纤维,然后将其重新组合在一起,产生一种坚固、灵活、透明和可生物降解的薄膜。

该团队没有在整个木质基板上铺设昂贵的氮化镓,而是只用了一点化合物。氮化镓是目前性能最高的微波晶体管材料。Ma说,“我们采用了一个新策略,使用了一个微小的昂贵物质的珠子,500微米×500微米,其余的是木材。与氮化镓相比,木头的成本基本上可以不算。最后的结果是一个非常好用的放大器。”

研究成果

柔性电路在5GHz频率以上可以输出10毫瓦的功率,纤维素纳米纤维基底与聚乙烯基底一样可以兼容微波元件。而且,由于主要由木纤维制成,整个电路很容易分解或燃烧,基本上不会留下任何电子垃圾。在论文中,Ma和他的团队演示了这一点,用蜡烛点燃芯片,只在几秒钟内留下一小撮灰烬。

应用前景

这种基板不仅仅是用于微波应用,还可以用于各种柔性电子元器件。而这可能会给环境带来很大的改变。Ma说:“如果你看看自己的房子,可能有很多旧的电子产品。有电视、电脑显示器、电话,都是电子电路。你无法对它们做太多的处理,这会产生大量的废物。我们可以用这些类型的电路替换很多现有的元器件。”

研究团队

研究团队还包括麦迪逊的美国农业部森林产品实验室、威斯康星发现研究所。研究得到了美国林业和社区基金会的支持。

补充信息

美国威斯康星大学一直关注柔性薄膜电子器件的研发,并在此前的研究中得到了美国空军的资金支持。[大国重器 天地]

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