El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), organismo dependiente del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, participa en un proyecto europeo que desarrolla un nuevo método económico y escalable para la fabricación de dispositivos adaptables a cualquier superficie mediante la tecnología de calcomanías (tatuajes temporales). Estos dispositivos, desarrollados por un equipo del CSIC en el Instituto de Ciencia de los Materiales de Madrid (ICMM), son ultrafinos y pueden integrarse en superficies con cualquier tipo de topografía, como piel, textiles y tejidos biológicos, por lo que pueden utilizarse, por ejemplo, para monitorizar la salud de los pacientes. El nuevo método acaba de ser publicado en la revista ACS Nano .
Los dispositivos adaptables «deben ajustarse perfectamente a superficies blandas, curvas y dinámicamente deformables, manteniendo un rendimiento eléctrico fiable», explica Andrés Castellanos-Gómez, investigador del CSIC en el ICMM y líder del proyecto en España. Estas características hacen que la fabricación de este tipo de dispositivos sea un reto complejo: «Si bien los semiconductores bidimensionales son materiales prometedores para este tipo de aplicaciones, su integración en sistemas electrónicos adaptables sigue siendo compleja», añade Yigit Sozen, también investigador del CSIC en el ICMM y uno de los autores principales de este trabajo.
Ambos investigadores explican que, actualmente, la mayoría de las pruebas de electrónica adaptable basada en materiales semiconductores 2D se limitan a métodos de fabricación de laboratorio a pequeña escala. «De hecho, uno de los principales obstáculos es la falta de estrategias de fabricación escalables que ofrezcan simultáneamente alta calidad electrónica, bajo coste y procesabilidad a gran escala», señala Sozen.
En este contexto, Castellanos-Gómez señala que los papeles de transferencia para tatuajes temporales se han convertido en «sustratos atractivos para la electrónica adaptable», ya que permiten la transferencia de películas ultrafinas sobre superficies curvas y rugosas como la piel, el vidrio o los plásticos.
Mediante esta tecnología, este equipo de investigación está superando las limitaciones actuales al combinar su propia tecnología de exfoliación mecánica de alto rendimiento «rollo a rollo» de materiales de van der Waals (materiales bidimensionales) con sustratos ultrafinos para la transferencia de tatuajes temporales y calcomanías de transferencia de agua. De esta manera, han logrado establecer una vía escalable hacia la electrónica adaptable basada en materiales semiconductores 2D.
Su proceso comienza con una estrategia de exfoliación en seco, una tecnología con dos cilindros enfrentados que ya han patentado. Una vez que obtienen películas de gran superficie compuestas por láminas semiconductoras bidimensionales interconectadas con propiedades electrónicas, estas películas se integran en plataformas transferibles ultrafinas utilizando los mismos sustratos de calcomanía comerciales. Todo esto permite la fabricación de fotodetectores, termistores y transistores adaptables que pueden transferirse directamente a superficies rugosas y curvas, como piel, cuero sintético y hojas de plantas.
«Al combinar la producción escalable de materiales semiconductores de van der Waals con estrategias de transferencia sencillas y ultra adaptables, este trabajo extiende la electrónica basada en tatuajes más allá de los sistemas orgánicos y establece una plataforma práctica para dispositivos portátiles y con interfaz biológica de alto rendimiento», afirma Sozen.
El motivo de la exfoliación mecánica
En este trabajo, el equipo demuestra que la combinación de la exfoliación mecánica de alto rendimiento (conocida como «rollo a rollo») de disulfuro de molibdeno (MoS₂) con papel adhesivo comercial para transferencia por agua proporciona una ruta de bajo costo y escalable para la fabricación de dispositivos adaptables.
Castellanos-Gómez trabaja con este método para obtener materiales bidimensionales, dado que otras técnicas existentes presentan importantes inconvenientes. Por un lado, la exfoliación en fase líquida seguida de impresión deja residuos de disolvente. Además, muestra una escasa conectividad entre las láminas y una uniformidad limitada de la película, lo que suele comprometer el rendimiento electrónico. Por otro lado, las películas producidas mediante deposición química de vapor (CVD) requieren una infraestructura muy costosa e implican procesos de transferencia sumamente complejos. En cambio, la exfoliación mecánica con cilindros proporciona películas secas e interconectadas que pueden integrarse fácilmente en plataformas ultrafinas y transferibles.
«Al aprovechar esta plataforma de materiales junto con estrategias de transferencia sencillas basadas en calcomanías, fabricamos dispositivos ultraconformables que funcionan de manera confiable en superficies rugosas y flexibles. Los fotodetectores, termistores y transistores basados en calcomanías resultantes exhiben alta responsividad, altos coeficientes de temperatura de resistencia y un funcionamiento de transistor de alta movilidad y bajo voltaje», concluye Castellanos-Gómez.
Referencia:
Yigit Sozen*, Esteban Zamora-Amo, Juan J. Riquelme, Andrés Castellanos-Gómez*. «Electrónica conformada escalable basada en semiconductores exfoliados de van der Waals rollo a rollo» . ACS Nano . DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c04448
Foto/imagen de portada:
El investigador Yigit Sozen sostiene un chip en un trozo de piel.- ÁNGELA R. BONACHERA. ICMM-CSIC
Fuente: Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid/ icmm.csic.es