Intégration de multiples composants électroniques sur une microfibre vers une plateforme textile électronique émergente

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3173 (2022) Citer cet article

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Les fibres électroniques ont été considérées comme l'une des plates-formes de dispositifs souhaitées en raison de leur compatibilité dimensionnelle avec les tissus par tissage avec des fils. Or, un processus de connexion précis entre chaque fibre électronique est indispensable pour configurer les circuits ou systèmes électroniques souhaités. Ici, nous présentons une plate-forme de fibre électronique intégrée en fabriquant des dispositifs électroniques sur un substrat en microfibre unidimensionnel. Les composants électroniques tels que les transistors, les onduleurs, les oscillateurs en anneau et les thermocouples sont intégrés ensemble sur la surface extérieure d'un substrat fibreux avec des motifs précis de semi-conducteurs et d'électrodes. Nos résultats montrent que les composants électroniques peuvent être intégrés sur une seule fibre avec un fonctionnement fiable. Nous évaluons les propriétés électroniques de la puce sur la fibre en tant que plate-forme textile électronique multifonctionnelle en testant leur commutation et leur traitement de données, ainsi que des unités de détection ou de transduction pour la détection de signaux optiques/thermiques. La démonstration de la fibre électronique suggère des preuves de concepts significatives pour la réalisation de hautes performances avec des systèmes textiles électroniques portables.

La fibre électronique présente un intérêt considérable pour les applications portables et les textiles intelligents, et elle peut faciliter la communication et l'interaction entre les humains et l'environnement1,2,3. En tant qu'élément de base des textiles fonctionnels, la forme unidimensionnelle (1D) des fibres filiformes offre une grande flexibilité, des déformations isotropes, une respirabilité et une légèreté dans les structures de tissu4,5. Les fibres fonctionnelles 1D peuvent ensuite être transformées en configurations de fils textiles bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D) grâce à des techniques d'ingénierie textile traditionnelles, telles que la torsion, le tissage, la couture, le tricotage, le nouage et l'entrelacement5,6. En raison de ces mérites intrinsèques, ces dernières années, des composants d'appareils à base de fibres qui remplissent des fonctions optoélectroniques, telles que la surveillance de la santé/de l'environnement, les affichages, la détection, la récupération d'énergie, le stockage d'énergie, le blindage électromagnétique et le traitement de l'information, ont été intégrés directement dans les tissus pour présenter des vêtements futuristes7,8,9,10,11,12,13,14.

Les plates-formes de fibres électroniques existantes sont généralement composées d'un seul type de composant électronique avec une seule fonction sur un substrat de fibre qui est attribuée à l'enveloppement tout autour d'une couche active sur toute la fibre sans motif à la zone souhaitée sur la surface de la fibre pendant le processus de fabrication. De plus, un processus de connexion précis entre chaque fibre électronique est essentiel pour configurer les circuits ou systèmes électroniques souhaités dans le textile 2D tout en minimisant la dégradation des performances de l'appareil15. Bien que l'assemblage de ces fibres fonctionnelles puisse être utilisé pour enregistrer, détecter et lire des données de manière séquentielle, à l'instar des circuits intégrés conventionnels et des dispositifs multifonctionnels sur tranches 2D, les limitations de réduction d'échelle et la difficulté de configuration du circuit électronique restent des obstacles majeurs pour la mise en œuvre de systèmes de fibres électroniques pratiques. Premièrement, de nombreuses connexions complexes et fonctionnelles sont générées à partir de l'intégration à grande échelle (LSI), et par conséquent, la réduction du câblage, comme les fils conducteurs, est considérée comme un goulot d'étranglement pour un développement ultérieur. Deuxièmement, la densité surfacique du dispositif doit être augmentée en introduisant une architecture ou un processus spécifiquement conçu16. De ce point de vue, il est indispensable de développer des systèmes électroniques compacts et miniaturisés capables de fonctionner sur une seule fibre. Pour conférer de multiples fonctions au textile, les méthodes d'insertion de petits composants électroniques dans un toron ou un fil de fibre ont été considérées comme des candidats émergents, permettant la mise en œuvre d'une fibre numérique étirée thermiquement et d'un fil électronique17,18,19. Cependant, une limitation à l'approche d'étirage thermique et au montage de petits composants sur la surface supérieure d'un filament est la faible densité de dispositif. Une stratégie pour fabriquer une microfibre électronique à haute densité possédant de multiples composants et circuits électroniques tout en maintenant d'excellentes performances électriques n'a pas encore été rapportée.

Dans ce travail, nous présentons une plate-forme de fibre électronique qui permet le LSI de composants de dispositifs électroniques à la surface d'une fibre 1D, définie comme un monofilament d'un diamètre de 150 μm (Fig. 1a). En utilisant la photolithographie sans masque haute résolution avec une méthode de revêtement assistée par tube capillaire20, plusieurs unités de dispositif miniaturisées sont intégrées sur une surface de fibre très étroite et mince. À titre de démonstration de preuve de concept, des dispositifs électroniques de base (transistors à effet de champ, onduleurs et oscillateurs en anneau) et des capteurs (photodétecteurs, transducteur de signal et capteurs de température distribués constitués de thermocouples) sont fabriqués sur les deux côtés différents de la fibre rectangulaire. La puce sur une fibre présente diverses fonctions électroniques (détection UV et commutation de signaux électriques dans un seul transistor, comportement d'entrée/sortie symétrique dans l'onduleur de type n, caractéristiques d'oscillation de l'oscillateur en anneau à 5 étages) et performances de détection thermique. Nous pensons que notre approche est l'une des grandes étapes de la mise en œuvre d'une plate-forme de fibres électroniques à haute densité pour les textiles électroniques intégrés.

A Illustrations schématiques d'un e-textile intégré à partir d'une fibre électronique multifonctionnelle et intégré dans un tissu. B Schéma en coupe et en trois dimensions des éléments du dispositif fabriqués sur le substrat en microfibre. C Image MEB d'appareils électroniques fabriqués sur une seule microfibre. D Photographie de la fibre électronique souple.

L'assemblage de plusieurs systèmes électroniques sur une microfibre, illustré sur les Fig. 1A, B, se compose de deux parties électroniques différentes : des éléments optoélectroniques de base et un capteur de température. Les composants électroniques sont intégrés à la surface d'un monofilament de forme cuboïde d'une dizaine de centimètres de long et d'un diamètre de 150 µm. En tant que preuve de concept pour mettre en œuvre l'assemblage direct de systèmes électroniques sur une microfibre, notre fibre électronique a une densité d'intégration relativement faible par rapport aux systèmes électroniques conventionnels sur wafers 2D. Cependant, en réduisant davantage chaque composant électronique sur une microfibre, il peut être possible de mettre en œuvre des fibres électroniques à haute densité similaires à celles des dispositifs semi-conducteurs classiques. Cela implique que notre plate-forme de fibre électronique peut être considérée comme l'une des fibres électroniques émergentes potentielles. Une microfibre de forme carrée en silice fondue a été utilisée comme substrat transparent et flexible. Bien que la fibre à base de silice ait une flexibilité relativement inférieure à celle des substrats polymères, elle peut supporter une température de traitement élevée de 1 100 °C sans fondre, ce qui permet de déposer sur elle des matériaux électriques inorganiques hautes performances. Le substrat en microfibre présente également une forme géométrique 3D comprenant quatre faces planes sur toute la longueur de la fibre qui permet une densité d'intégration plus élevée. La manière la plus efficace d'augmenter la densité des composants électroniques est d'utiliser toute la circonférence de la fibre. Afin d'étudier la faisabilité de cela, nous avons intégré des composants électroniques sur deux côtés différents de la fibre à section carrée. Un transistor, un onduleur et un oscillateur en anneau (RO) basé sur un semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) d'oxyde de zinc et de gallium d'indium (IGZO) sont placés sur la surface supérieure de la fibre tandis que le capteur de température est construit sur le côté de la fibre. Pour démontrer l'ensemble du dispositif, nous avons exploité à la fois une méthode de revêtement assisté par tube capillaire (CTAC) et une photolithographie sans masque haute résolution, qui est capable de fabriquer rapidement des électrodes métalliques à motifs sur les deux côtés différents d'un substrat monofilament mince et étroit. Le processus CTAC a le potentiel d'être compatible avec un processus de revêtement de bobine à bobine, qui est un moyen efficace de minimiser les déchets de matériau et permet un contrôle précis de l'épaisseur du film de photorésist (PR) en ajustant la vitesse de revêtement et la concentration de la solution20. Les images de microscopie électronique à balayage en coupe (SEM) indiquent que le film PR traité par CTAC recouvrait uniformément toute la surface extérieure de la fibre et que l'épaisseur de la couche PR était estimée à environ 2 μm (Fig. 1 supplémentaire). Après avoir enduit et cuit le film PR sur la fibre, un générateur de motif laser a été utilisé pour exposer rapidement le PR avec le motif d'électrode (Fig. 1 supplémentaire). La lithographie sans masque transfère directement les motifs de conception sur le substrat fibreux sans utiliser de photomasque et permet un positionnement exact des motifs d'électrodes pour fabriquer des dispositifs électroniques souhaités à des emplacements arbitraires sur des substrats non plans, comme illustré à la Fig. . Une fibre électronique intégrée (longueur : 10 cm) contenant environ 30 RO entrecoupés, onduleurs, phototransistors, condensateurs et capteurs de température a été démontrée comme une preuve de concept. Tous les appareils peuvent fonctionner individuellement et indépendamment.

Les images microscopiques optiques et les schémas de circuit de chaque appareil électrique sont représentés sur les figures 2A, D, respectivement. Un transistor à effet de champ (FET), un élément de dispositif de base, dans une structure de grille supérieure et de contact inférieur (TG/BC) a été fabriqué pour vérifier les capacités des dispositifs miniaturisés pour les applications de fibre électronique. IGZO et Al2O3 sont utilisés respectivement comme semi-conducteur à oxyde amorphe et diélectrique de grille. Leur composition chimique a été analysée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la capacité diélectrique de la couche d'Al2O3 de 15 nm d'épaisseur a été mesurée à 180 nF cm-2, comme décrit dans la Fig. 4 supplémentaire. La figure 2B montre les caractéristiques de transfert du conducteur FET dans l'onduleur n-MOS à charge d'épuisement. Le FET à base d'IGZO présente une mobilité d'effet de champ de 5,5 cm2V−1s−1 en régime de saturation avec une hystérésis négligeable et un rapport de courant marche/arrêt supérieur à 107 à une tension grille-source (VG) de 5 V et une faible tension drain-source (VD) de 5 V. , indicatif de moins de 40% de rendement. Enfin, nous avons atteint près de 70 % de rendement de l'appareil en comptant les transistors en état de marche. Par la suite, cinq FET individuels ont été fabriqués sur chaque monofilament qui présentait une mobilité de saturation moyenne de 5,5 cm2V−1s−1 avec un écart type de 1,1 cm2V−1s−1, une tension de seuil (VTh) de 0,28 ± 0,57 V et une faible oscillation sous le seuil de 0,36 ± 0,11 V dec−1. Ces valeurs sont similaires à celles des FET basés sur IGZO précédemment rapportés, indiquant la validité de ce processus de fabrication pour les applications e-textiles intégrées22,23,24,25.

Une photographie et des schémas de circuit d'un onduleur basé sur des FET à base d'IGZO fabriqués sur un substrat de fibre flexible. B Courbes ID−VG d'un FET IGZO représentatif du dispositif fibre. Le FET a une longueur de canal (L) de 10 μm et une largeur de canal (W) de 50 μm. C Propriétés de transfert statique de l'onduleur basées sur deux FET IGZO pour une tension d'alimentation (VDD) de 2 V ∼ 5 V et une tension de polarisation (Vbias) de 5 V. D Photographie et schéma de circuit d'un oscillateur en anneau à 5 étages basé sur des onduleurs à charge d'épuisement fabriqués sur la microfibre. E Caractéristiques dynamiques de l'oscillateur en anneau en réponse à différents VDD. F Amplitude d'oscillation, fréquence et délai de propagation mesurés pour VDD de 2, 3, 4 et 5 V.

Sur la base des FET IGZO, les caractéristiques électriques d'un onduleur et d'un OI à 5 étages sur le monofilament ont été évaluées, comme le montrent les Fig. 2C, E et F. En raison de la procédure de fabrication et de la conception compliquées des circuits électroniques sur fibre, nous n'avons atteint que 60 et 40 % de rendement pour l'inverseur et l'OI, respectivement. L'inverseur n-MOS à charge de déplétion a été mis en œuvre par une connexion en série entre deux transistors n-MOS, qui jouent le rôle de pilote et de charge. L'électrode de source du transistor de charge est connectée à l'électrode de grille du transistor de charge et à l'électrode de drain du transistor de commande. Des largeurs de canal (W) de 20 µm et 50 µm avec la même longueur de canal (L) de 10 µm pour les composants de pilote et de charge ont été utilisées, respectivement, pour le bon équilibre entre les transistors de pilote et de charge pour le fonctionnement de l'onduleur et RO. La courbe de transfert de tension est mesurée pour une tension de polarisation (Vbias) de 5 V et des tensions d'alimentation (VDD) de 2 V à 5 V. La tension de sortie-tension d'entrée (VOut-VIn) de l'inverseur de charge à appauvrissement n-MOS est illustrée à la Fig. 2C. Par la suite, le RO à 5 étages a été préparé par l'onduleur n-MOS à charge d'épuisement avec des canaux IGZO comme décrit ci-dessus. Le RO est connecté en série avec cinq onduleurs n-MOS à charge d'épuisement. La sortie du 1er onduleur devient l'entrée du 2ème onduleur et la sortie du 2ème onduleur devient l'entrée du 3ème onduleur. Cette chaîne continue jusqu'au 5ème onduleur, et enfin, la sortie du dernier (5ème) onduleur revient à l'entrée du primaire (1er) onduleur (Fig. 2D). De cette manière, des circuits intégrés (CI) ont été fabriqués avec succès à l'aide de processus semi-conducteurs conventionnels sur un substrat de fibre flexible. Bien qu'un niveau de processus plus élevé et une optimisation pour plus de raffinement et de précision soient encore nécessaires, il sera possible d'intégrer des circuits intégrés plus complexes du côté des facettes d'une fibre rectangulaire ou d'une surface d'un filament cylindrique. De plus, la forme d'onde de la tension de sortie (Vout - temps), la fréquence d'oscillation (f) et le délai de propagation (τ) du RO à 5 étages en fonction de l'augmentation de VDD sont décrits à la Fig. 2E, F. Le τ des événements de commutation a été déterminé en ajustant des fonctions exponentielles aux transitions VOut mesurées qui dépendent de VDD. En augmentant VDD, τ a augmenté et f a diminué.

Pour explorer la possibilité d'intégration d'un dispositif multifonctionnel sur une fibre, nous avons surveillé les signaux électriques du capteur sur un monofilament contre les changements de lumière UV et de température. Des capteurs de lumière UV et de température ont été fabriqués sur deux côtés différents du substrat de fibre optique. Un test de détection UV a été réalisé en surveillant les caractéristiques optoélectriques du seul FET à base d'IGZO, permettant la commutation du composant. Le semi-conducteur IGZO peut être utilisé pour la détection du spectre UV, car sa bande interdite optique est d'environ 3,0 eV. Notez que la détection UV a été effectuée en mesurant le changement de courant de drain dans le dispositif FET. La lumière UV-LED (longueur d'onde : 470 nm) et la lumière laser UV (longueur d'onde : 404 nm) ont irradié à la fois le haut et le bas du FET sur un monofilament, ce qui implique une détection UV "hors de la fibre" et "à travers le noyau de la fibre", respectivement (Fig. 3A, D). La figure 3B présente les caractéristiques de transfert du FET à base d'IGZO sur la fibre avant et après l'exposition aux UV depuis l'extérieur de la fibre à VD = 5 V avec VG balayant de −5 V à 5 V. Lors de l'éclairage, il y a une augmentation significative du courant de coupure de 4,0 × 10 −8 A à 7,5 × 10 −7 A à VG = 0 V. Cela implique que la lumière exposée contribue à la génération de photoporteurs dans le canal IGZO, induisant conductivité de canal plus élevée. La figure 3C affiche la photoréponse dépendante du temps à différentes tensions de grille de -1 V et 0 V avec une tension de drain de 5 V sous éclairage pulsé par la lumière UV (intensité de puissance : 1,0 mW cm-2). Il convient de noter que la lumière UV irradiée hors de la fibre est partiellement bloquée ou diffusée par l'électrode métallique de grille en raison de la structure TG/BC du dispositif FET. Bien que le rapport courant photo/obscurité soit relativement faible, il fournit suffisamment de signaux électriques qui permettent la détection de l'éclairage UV dans des conditions environnementales inconnues (Fig. 3C). Nous avons également trouvé une autre application possible en tant que transducteur de signal du FET basé sur IGZO sur la fibre. La figure 3D illustre les schémas du transducteur de signal. Le laser UV a été irradié à travers le noyau de la fibre et propagé dans le FET unique fabriqué sur la fibre de verre optique (Fig. 5A supplémentaire). Le courant à l'état bloqué dans les courbes ID – VG augmente remarquablement d'environ trois ordres de grandeur lorsque le semi-conducteur IGZO est excité par la propagation de la lumière à l'intérieur de la fibre optique (Fig. 3E). La réponse temporelle entre le courant de drain et le temps (ID - temps) avec différentes intensités laser a montré une commutation stable et un rapport photo-courant noir relativement élevé, tandis que VD et VG étaient maintenus à 5 V et -5 V, respectivement (Fig. 3F). Il sera possible de réaliser un photocapteur ou un transducteur de signal hautes performances en utilisant des matériaux semi-conducteurs photosensibles et différentes architectures de dispositifs, telles que des architectures de dispositifs à grille inférieure/contact supérieur et des diodes perpendiculaires. Les photocourants de la fibre électronique ont été extraits des courbes de transfert à VG = − 5 V et VD = 0 V, et la photoréactivité (Rλ) a été calculée par

où Ilight et Idark sont le courant de drain sous un éclairage clair et dans des conditions d'obscurité, respectivement ; Popt et A représentent la puissance d'éclairage incidente (1,0 mW cm-2 pour une lumière LED de 470 nm, Popt = 84,5 μW cm-2 pour une lumière laser de 404 nm, la puissance d'éclairage a été mesurée par un wattmètre) et la surface effective, respectivement. A est la surface du canal (largeur × longueur = 2 × 10−6 cm2) de l'appareil. Les phototransistors présentaient une photosensibilité de 0,64 A W-1 à la lumière UV-LED irradiée hors de la fibre et de 53,9 A W-1 sous la lumière laser UV propagée à travers le cœur de la fibre, comme le montre la Fig. 3B, E. À cet égard, le CI sur les fibres optiques peut être utilisé non seulement comme photodétecteur, mais également pour construire des réseaux de capteurs sans fil alimentés par la propagation du faisceau laser26.

Un schéma et une photographie de la mesure optoélectrique lorsque l'extérieur du dispositif à fibre est irradié par une lumière UV-LED de 470 nm. B Courbes de transfert du phototransistor à base d'IGZO dans l'obscurité et sous exposition à la lumière UV. C Photoréponse dépendante du temps à différentes tensions de grille sous éclairage pulsé avec lumière UV. D Schémas de la mesure optoélectrique lorsque l'intérieur du dispositif à fibre est irradié par une lumière laser de 404 nm. E Caractéristiques de transfert du phototransistor dans l'obscurité et pendant l'exposition à la lumière UV dans le cœur de la fibre. F Photocourant transitoire du dispositif IGZO avec différentes puissances laser de 4,2 V, 4,6 V et 5,0 V.

Des capteurs de type résistif sont directement intégrés de l'autre côté de la fibre pour permettre la multifonctionnalité de la puce sur une fibre, comme le montre la Fig. Fig. 6)27. La distance d'intervalle entre chaque thermocouple est de 3,4 mm et les plots de contact des trois thermocouples sont situés sur un côté de la surface de la fibre. Les capteurs de température sur un monofilament fonctionnent grâce à des changements de tension induits en réponse à la température à différentes positions le long de la fibre. Ces multiples intégrations de capteurs sur la fibre permettent un suivi précis de la température dans les conditions environnementales. En configurant le circuit et en partageant le contact au sol, la température peut être mesurée simultanément en trois points (Fig. 4A et Supplémentaire Fig. 5B). De plus, la variation des tensions thermoélectriques (ΔVTE) avec l'augmentation de la température de la source thermique (TSource) et avec la différence de température entre les thermocouples synchronisés thermiquement a été mesurée à une température et à une température ambiante données (TTC - TRT). Une discussion détaillée de chaque capteur est décrite dans la Fig. 6 supplémentaire.

A Photographie et diagramme schématique des composants thermosensibles. B Illustration schématique des thermocouples intégrés sur une fibre et du gradient de température à travers le dispositif à fibre. C Évolution des tensions thermoélectriques de chaque thermocouple en fonction de la température. D Répartition de la température en fonction de la distance entre la source de chaleur et chaque capteur.

En raison de la forme unique de notre puce sur une fibre, elle peut être appliquée en tant que module de détection de température implantable, comme illustré à la Fig. 4B. Pour surveiller la température de la source de chaleur, la pointe de la fibre de détection intégrée est soigneusement implantée dans un bloc chaud. En raison de la conduction thermique de la source thermique au capteur à travers le corps de la fibre, la température dans un matériau a été surveillée avec succès spontanément en modifiant la température de la source de chaleur. Les tensions thermoélectriques (ΔVTE) de chaque thermocouple sur un monofilament ont répondu linéairement en changeant la température du bloc chauffant de la température ambiante à 60 ° C, présentant des valeurs inférieures dans l'ordre loin de la source thermique (TSource > TTC-1 > TTC-2 > TTC-3) (Fig. 4C). Bien que la température détectée ait diminué de façon exponentielle à mesure que la position du capteur de température s'éloignait de la source de chaleur en raison de la perte de chaleur due à la convection de l'air, comme le montre la figure 4D, la température calculée au niveau de chaque capteur intégré sur un monofilament présentait un comportement par étapes clair. Cela implique que les capteurs thermorésistifs 1D intégrés sont applicables non seulement aux systèmes de réseau de détection de température portables, mais également aux modules implantables. Par conséquent, les résultats ci-dessus, ainsi que la détection UV/thermique et les composants électroniques sur la fibre, peuvent offrir des promesses substantielles pour la mise en œuvre de systèmes de fibres électroniques hautes performances et multifonctionnels pour les futures applications textiles électroniques.

Pour tester la flexibilité et la stabilité des multiples systèmes électroniques sur un monofilament, le dispositif IGZO FET sur la fibre a été mesuré dans des conditions de contrainte de traction et de compression, comme illustré à la Fig. 5A, B. Pour une analyse systématique du FET IGZO sur la fibre dans diverses conditions de contrainte, nous avons préparé deux fibres électroniques qui ont été fabriquées en différents lots. Les fibres ont été soigneusement placées et fixées sur des substrats flexibles en polyéthylène téréphtalate (PET) en utilisant un ruban de polyimide pour les conditions de flexion concave et convexe. La déformation technique de la fibre (ε), qui est présentée comme le rapport de la déformation totale à l'état initial sous apport mécanique appliqué, est calculée à l'aide de l'équation ci-dessous :

où η = df/ds et χ = Yf/Ys. ds et df sont les épaisseurs du substrat (fibre de verre de forme carrée, 150 μm) et de la couche active (IGZO, 15 nm), respectivement. Ys (verre, 50-90 GPa) et Yf (oxyde, > 100 GPa) sont respectivement le module de Young du substrat et de la couche active. R est le rayon de courbure. Dans la formule simplifiée en partant du principe que le substrat est beaucoup plus épais que la couche active et qu'il existe une différence relativement faible entre Ys et Yf, ε dans la couche active sur le substrat plié peut être grossièrement obtenu comme le bon terme de l'équation28.

Illustrations schématiques du dispositif à fibre intégré sur substrat PET (à gauche) et caractéristiques ID – VG (à droite) des FET IGZO dans des conditions de flexion A concave et B convexe. La contrainte mécanique (ε) est calculée à l'aide du rayon de courbure (R). Les encarts montrent des photographies du dispositif à fibres flexibles mesurées pendant la flexion. Changement des états de courant, des mobilités à effet de champ et des tensions de seuil des FET IGZO sur la fibre C en fonction de la contrainte mécanique avec flexion avant et arrière, et D lors d'un test de flexion répété jusqu'à 10 000 cycles au rayon de courbure de 11,7 mm. E Photographie de la fibre électronique noyée dans un tissu et cousue à l'intérieur du col d'une chemise. F États de courant, mobilités à effet de champ et tensions de seuil des FET IGZO sur la fibre à l'état neuf, cousu et après avoir porté pendant 10 jours. G Photocourant du photocapteur et tension thermoélectrique des TC sur la fibre à l'état neuf, cousu et après avoir porté pendant 10 jours. H Caractéristiques électriques du FET IGZO encapsulé sur la fibre électronique avant et après lavage (solution détergente et NaCl).

La mobilité à effet de champ (μsat), la tension de seuil (Vth) et le courant de drain (ID, on) à l'état passant sont estimés à partir de la Fig. 5A – C. En raison de l'uniformité d'un appareil à l'autre, nous avons observé de légères différences dans les caractéristiques ID-VG entre deux fibres électroniques pour la flexion concave et convexe. Cependant, les paramètres électriques, tels que la mobilité à effet de champ, la tension de seuil et le courant de drain, de chaque FET IGZO sur les deux fibres ont maintenu leurs performances de commutation initiales jusqu'à une contrainte de compression de 0,64 % et une contrainte de traction de 0,68 %, respectivement. Pour examiner la durabilité mécanique de la fibre, un test de cycle de flexion répété a été effectué, comme le montre la figure 5D. Le FET IGZO sur la fibre a subi 10 000 cycles de courbure répétée à un rayon de courbure de 11,7 mm. Nous n'avons pas observé de rupture apparente de la fibre ou de délaminage du semi-conducteur ou de l'électrode métallique pendant ou après le test de flexion. La mobilité saturée et la tension de seuil du FET ont légèrement diminué de 3,77 à 3,73 cm2V-1s-1 et de -0,75 V à -0,81 V, respectivement. Le courant de drain du FET a été mesuré à environ 1,28 μA à chaque condition de flexion avec des changements négligeables, comme le montre la Fig. 7 supplémentaire. Bien que la fibre électronique ait été exposée à l'air sans aucune couche de passivation pendant la flexion répétée et la mesure I-V, le FET IGZO a présenté une stabilité et une endurance électriques sans dégradation ni dysfonctionnements graves. A partir des tests mécaniques supplémentaires et de ses caractéristiques électriques de la fibre électronique à la limite, nous avons constaté que le rayon de courbure seuil (R) et la déformation (ε) de la fibre électronique étaient de 7,3 mm et 1,03%, respectivement, sans la défaillance mécanique de la fibre de silice. (Fig. 8 supplémentaire) Étant donné que les performances électroniques du TFT IGZO sur la fibre ont été maintenues juste avant la rupture de la fibre, la durabilité mécanique de notre fibre électronique semble dépendre des propriétés mécaniques du substrat fibreux. En raison de la limitation des propriétés mécaniques des microfibres à base de matériaux inorganiques, il était difficile d'obtenir une meilleure flexibilité que celle des dispositifs électroniques flexibles conventionnels. Cependant, il est essentiel d'utiliser des matériaux semi-conducteurs inorganiques performants pour mettre en œuvre un système de fibre électronique performant et intégré. En particulier, la fibre micrométrique à base de silice peut être considérée comme l'un des substrats fibreux prometteurs en raison de sa capacité à obtenir de meilleures propriétés électroniques et à réduire l'échelle en introduisant des processus de fabrication de semi-conducteurs à haute température et conventionnels. Néanmoins, il est encore nécessaire de développer un meilleur substrat de fibre qui permette à la fois un système de fibre électronique intégré de haute performance et de flexibilité. Par exemple, les matériaux polymères flexibles, tels que le polyimide, comprennent une combinaison d'excellentes propriétés, telles que la stabilité chimique, la stabilité thermique, la faible conductivité thermique, la résistance aux radiations, l'isolation, la résistance à la traction élevée et le module de traction, qui peuvent être considérés comme des substrats fibreux de substitution pour une meilleure flexibilité et aptitude au traitement29.

Les textiles électroniques portables doivent être respirants et lavables avec une flexibilité et une adaptabilité de forme élevées. Pour démontrer la faisabilité d'une application e-textile potentielle, la fibre électronique a été directement cousue dans un morceau de bandage de compression commun. Pour éviter des dommages inattendus à la fibre électronique pendant le processus de couture, nous avons introduit une méthode de couture spéciale en utilisant une aiguille d'une seringue qui permet aux fibres de se placer dans le tissu en toute sécurité (Mov. Supplémentaire 1). Cela nous a aidés à coudre la fibre électronique dans le tissu sans endommager sérieusement la surface. Parce que l'aiguille de la seringue guide la fibre électronique pendant la couture, nous avons pu contrôler l'orientation de la fibre dans le vêtement (bandage), ce qui a entraîné le capteur UV ou le capteur de température vers le haut pour les deux contacts électriques pour la détection des UV ou de la température. Ensuite, le tissu a été cousu à nouveau à l'intérieur du col d'une chemise sans aucun revêtement protecteur supplémentaire, comme illustré sur la figure 5E. Nous avons surveillé les performances de commutation du FET IGZO, les caractéristiques optoélectriques du capteur UV et les caractéristiques thermoélectriques du capteur de température sur la fibre à l'état neuf, cousu et après avoir été porté pendant 10 jours (Fig. 9 supplémentaire). Le FET IGZO a maintenu ses performances électriques pendant 1 jour. Après 10 jours, il présentait une mobilité par effet de champ légèrement dégradée d'environ 7,4 cm2V−1s−1 (Fig. 5F). De plus, nous avons observé une légère diminution du courant de drain de 2,9 à 1,8 μA et un décalage positif de la tension de seuil de -2,4 à -1,7 V, respectivement. À partir des mesures supplémentaires du photocourant et de la tension thermoélectrique de la fibre électronique avant et après le port pendant 10 jours, comme le montre la Fig. 5G, nous avons constaté que le photocapteur était relativement stable, maintenant des valeurs de photocourant de 15,3 et 13,7 μA pour la LED allumée et éteinte, respectivement à VG = 0 V et VD = 5 V. Bien que notre fibre électronique dans un vêtement ait détecté avec succès le signal UV hors de la fibre, cela est dû à la méthode de couture assistée par aiguille de seringue. Si la fibre électronique est complètement enfouie dans un vêtement par la méthode de couture conventionnelle, il est difficile de s'attendre à une détection correcte de la lumière UV éclairée dans toutes les directions en général. Par conséquent, des recherches supplémentaires sur la façon de placer la fibre électronique dans un vêtement et d'évaluer ses performances de détection sont encore nécessaires pour les applications pratiques de la fibre électronique de détection UV. De plus, nous avons évalué les caractéristiques thermoélectriques de chaque TC sur la fibre du tissu placé sur un mandrin chaud. Tous les TC présentaient presque la même valeur d'environ 0,52 μV de tension thermoélectrique à température ambiante (23 ° C) avant et après le port pendant 10 jours. De même, la tension thermoélectrique moyenne de chaque TC (TC1, TC2, TC3) a montré une valeur similaire d'environ 128,3 μV à 40 ° C avant et après le port pendant 10 jours. Bien que notre fibre électronique ait bien fonctionné au-dessus des conditions stressantes, il faut noter ici qu'une couche supplémentaire de protection ou de blindage épaisse est nécessaire pour éliminer les risques attendus liés à leur contact avec le corps humain tout en maintenant la fonction électrique des appareils contre diverses conditions environnementales (contraintes mécaniques, chimiques, sueur, etc.)30,31. Pour évaluer davantage la lavabilité de la fibre électronique, nous avons réalisé le procédé CTAC (vitesse 1,0 mm min-1) de la solution SU-8 pour former une couche de passivation (épaisseur = 2 μm). La fibre électronique était entièrement recouverte d'une couche de passivation SU-8. Ensuite, la fibre électronique encapsulée a été plongée dans une solution détergente (5 ml dans 90 ml d'eau du robinet) et une solution de NaCl (0,5 % en poids pour la sueur humaine artificielle) pendant 30 min et rincée dans de l'eau pure du robinet sous agitation à 600 tr/min à température ambiante32. Après lavage, la fibre électronique a été séchée à 60°C sur une plaque chauffante. Étant donné que la couche SU-8 recouvrait complètement la fibre électronique externe, les performances électroniques du FET IGZO ont montré une différence négligeable dans les caractéristiques de transfert (mobilité à effet de champ de 3,74 cm2V−1s−1 dans le régime de saturation et un rapport de courant marche/arrêt de 4 ordres de grandeur) avant et après lavage avec des solutions de détergent et de NaCl à 0,5 % en poids, comme illustré à la Fig. 5H. Cela implique que la fibre électronique encapsulée a maintenu une performance stable, quel que soit l'environnement humide, comme les conditions de lavage et de transpiration. Il peut être possible de mettre en œuvre des fibres électroniques pratiques en introduisant une couche de protection ou d'encapsulation fiable et durable dans diverses conditions mécaniques ou chimiques. Par conséquent, nous pensons que notre plate-forme de fibre électronique est toujours considérée comme une approche valable pour les systèmes textiles électroniques intégrés.

En résumé, nous avons démontré une plate-forme de fibre électronique avec des dispositifs électroniques intégrés sur une microfibre 1D. Notre système de fibre électronique était composé d'unités électroniques de base telles que des transistors, des onduleurs, des oscillateurs en anneau pour le traitement des données et des unités de détection ou de transduction pour la détection de signaux optiques/thermiques. Pour une densité d'intégration élevée, la méthode de revêtement assistée par capillarité et la photolithographie sans masque ont été mises en œuvre pour dessiner rapidement et directement la conception de dispositif souhaitée à haute résolution dans des conditions ambiantes. En raison de la limitation de la réduction d'échelle dans le processus de fabrication à l'échelle du laboratoire à l'état actuel, nous avons réalisé 30 ensembles de dispositifs (par exemple transistor avec L = 10 μm et W = 50 μm/contact pads avec 100 μm × 100 μm, 50 μm × 50 μm) sur une fibre de 10 cm de long, démontrant comme une preuve de concept pour mettre en œuvre l'assemblage direct de systèmes électroniques sur une microfibre. Si la technologie de fabrication de semi-conducteurs sur un substrat en microfibre est mûre, nous pensons qu'il est possible de mettre en œuvre une fibre électronique de densité plus élevée similaire à celles des dispositifs semi-conducteurs classiques sur une plaquette de silicium. Pour plus d'informations sur la faisabilité de notre plate-forme de fibre électronique, nous avons calculé simplement combien de temps la fibre nécessite pour intégrer un microprocesseur d'ordinateur personnel (processeur Intel Pentium) qui a une surface de puce de 91 mm2 et contient 3,3 millions de transistors avec un pas de processus de 0,35 μm technologie BiCMOS (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium). Si la même technologie de fabrication est appliquée pour intégrer la puce ci-dessus sur l'enveloppe externe de la microfibre circulaire d'un diamètre de 150 μm, il ne faut que 19,3 cm de microfibre de long pour mettre en œuvre la fibre de microprocesseur, comme le montre la Fig. 6. Par conséquent, la plate-forme de dispositif proposée fournit un dispositif fibreux de type architecture et pense contribuer à la réalisation de fibres électroniques à haute densité intégrées dans les vêtements. Nous prévoyons que cet assemblage de plusieurs systèmes électroniques sur microfibres permettra des avancées technologiques dans les textiles électroniques ainsi que dans l'électronique de plaquettes 2D conventionnelle basée sur le traitement par lots en adaptant un processus de fabrication continue bobine à bobine. Pendant ce temps, pour mettre en œuvre une fibre électronique intégrée par un processus de bobine à bobine, un contrôle précis et continu de l'orientation de la face de la fibre est nécessaire pour permettre un processus de fabrication continu pendant l'alimentation de la fibre. Pour surmonter la limitation de taille et de densité des composants électroniques intégrés sur une fibre pour des applications réelles, il est nécessaire d'introduire une résolution plus élevée du processus de photolithographie sans masque et de modifier l'emplacement des modules d'exposition permettant d'utiliser toute la circonférence de la fibre. Enfin, l'optimisation de l'agencement de l'équipement pour chaque étape du processus (par exemple, le revêtement, la lithographie, le développement, le dépôt, la gravure et l'inspection) est également considérée comme un facteur important pour effectuer une production de masse de fibre électronique par un processus continu de bobine à bobine. (Fig. 10 supplémentaire).

Calcul théorique sur la longueur nécessaire à la microfibre (diamètre de 150 μm) pour intégrer le microprocesseur Pentium (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium).

Tous les matériaux utilisés dans cette étude ont été achetés comme suit sans aucune purification. Fibre optique avec cœur en silice de forme carrée (FP150QMT, Thorlabs), or (Au, 99,99 %, TAEWON SCIENTIFIC), chrome (Cr, CR-090010, 99,9 %, Nilaco), nickel (Ni, NI-311165, 99,9 %, Nilaco), cible de pulvérisation IGZO (In2O3 : Ga2O3 : ZnO = 1 : 1 : 1 en % atomique, 99,99 %, Advanced Engineering Materials), Au etchant (Gold Etchant, Sigma Aldrich), Cr etchant (CR-7, KMG Electronic Chemicals), Ni etchant (Nickel Etchants, TRANSENE), Al2O3 etchant (Aluminium Etch ANPE 80/5/5/10 Microchem), IGZO etchant (HCl, 35 %, Wako), Positive photoresist (AZ GXR 601, AZ Matériaux électroniques), développeur (développeur AZ 300 MIF, Merck).

Les microfibres à noyau de silice de forme carrée (150 μm × 150 μm × 7, 5 cm) ont été nettoyées par ultrasons dans de l'eau déminéralisée, de l'acétone et de l'isopropanol pendant 5 min. Cela a été suivi d'un traitement ultraviolet-ozone (UV/O3) pendant 15 min. Les électrodes métalliques ont été modelées par photolithographie sans masque. Une couche de résine photosensible de 2 μm d'épaisseur a été déposée sur le substrat fibreux à l'aide d'un procédé de revêtement assisté par tube capillaire (CTAC) (vitesse 1,0 mm min-1), cuite sur une plaque chauffante à 100 ° C pendant 2 min et exposée à la lumière ultraviolette à l'aide d'un aligneur sans masque (MLA 100, HEIDELBERG) avec une densité d'énergie d'environ 200 mJ cm-2 et 1000 μm s-1 de vitesse d'entraînement. L'échantillon a été immergé dans le révélateur pendant 2 min et rincé avec de l'eau déionisée après une cuisson dure (100 ° C pendant 2 min). Une couche d'adhésion de Cr de 10 nm d'épaisseur, suivie de Au de 30 nm d'épaisseur, a été déposée et modelée en trempant le substrat fibreux dans un bain de décapant de réserve. Notamment, des couches de Cr de 50 nm d'épaisseur et de Ni de 50 nm d'épaisseur ont été déposées par évaporation sous vide à une pression de base d'env. ~10−6 torr et vitesse 0,5 Å s−1 pour les thermocouples. Des films minces IGZO (15 nm) ont été déposés à l'aide d'une pulvérisation AC (ACT ORION 8 Sputtering System, AJA International, 100 W, Ar : O2 = 20,0 : 0,2 sccm, 2 × 10−3 torr). Après dépôt, les films IGZO tels que déposés ont été placés sur une plaque chauffante et recuits thermiquement pendant 30 min à 300 ° C à l'air ambiant pour améliorer la qualité du film IGZO. Al2O3 (épaisseur de 36,1 nm) pour les couches diélectriques de grille et d'encapsulation a été directement déposé par le système de dépôt de couche atomique (LUCIDA D100 ALD, NCD). Du triméthylaluminium et de l'eau désionisée ont été utilisés comme précurseurs et oxydants dans ce système, respectivement. La température du substrat a été maintenue à 100 °C pendant les 400 cycles du processus de dépôt. Dans la séquence de gravure humide, chaque agent de gravure pour chaque matériau a été acheté dans le commerce et utilisé après avoir été dilué avec de l'eau déminéralisée. Les conditions détaillées sont les suivantes. Au décapant : 1/20 pendant 3 min ; Cr décapant : 1/20 pendant 3 min ; Ni décapant : 1/20 pendant 3 min ; Agent de gravure IGZO : 1/100 pendant 2 min ; Agent de gravure Al2O3 : 50 °C pendant 4 min. Une fois chaque processus de gravure humide terminé, les échantillons ont été lavés avec de l'eau désionisée, transférés dans un bain d'acétone à 100 ° C et immergés pendant 5 minutes pour éliminer le photorésist.

Les caractéristiques courant-tension ont été mesurées avec un HP4145B (HP Ltd.), Keithley 4200SCS (Keithley Instruments, Ltd.) et un oscilloscope à phosphore numérique DPO2002B (Tektronix, Ltd.) dans l'air ambiant. Les caractéristiques optoélectriques et électriques du phototransistor ont été mesurées à l'aide d'un système de caractérisation de semi-conducteur Keithley 4200 sous illumination à une longueur d'onde de 470 nm (lumière UV-LED de 50 mW cm-2). Pour mesurer le signal optoélectrique de la lumière UV traversant la fibre, une lumière laser UV de 404 nm (50 mW) a été utilisée. Pour coudre la fibre électronique dans un tissu, une méthode de couture spéciale a été développée en utilisant une aiguille d'une seringue qui permet aux fibres de se placer dans le tissu en toute sécurité (Supplémentaire Film 1). Le revêtement de la couche d'encapsulation (SU-8) sur la fibre électronique a été traité en utilisant le procédé CTAC (vitesse 1,0 mm min-1). Pour évaluer la lavabilité de la fibre électronique, le détergent (5 ml dans 90 ml d'eau du robinet) et le NaCl (0,5 % en poids pour la sueur humaine artificielle) étaient bien mérités dans l'eau du robinet. Le test de lavage a été réalisé pendant 30 min et rincé à l'eau pure du robinet sous agitation à 600 rpm à température ambiante. Après lavage, la fibre électronique a été séchée à 60°C sur une plaque chauffante. Les images au SEM et au microscope optique ont été obtenues à l'aide d'un microscope Nova NanoSEM 450 (FEI Ltd.) et d'un microscope Nikon ECLIPSE LV150 (Nikon), respectivement. L'épaisseur des films minces a été déterminée à partir d'un profileur de surface (ET200, Kosaka Laboratory Ltd.). Les mesures de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont été effectuées à l'aide d'un ESCALAB250Xi (Thermo Fisher Scientific, USA) à une pression de base de 10-9 mbar.

Les données d'imagerie qui appuient les conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Les données sources sont fournies avec ce document.

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Minji Kang

Adresse actuelle : Chemical Materials Solutions Center, Korea Research Institute of Chemical Technology, 141 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34114, République de Corée

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Sunbin Hwang, Minji Kang.

Centre de recherche sur les matériaux composites fonctionnels, Institut coréen des sciences et technologies, Wanju-gun, Jeollabuk-do, 55324, République de Corée

Sunbin Hwang, Aram Lee et Sukang Bae

Département d'électronique flexible et imprimable, LANL-JBNU Engineering Institute-Korea, Jeonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, 54896, République de Corée

Minji Kang et Tae-Wook Kim

École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Université nationale de Pusan, 2, Busandaehak-ro-63-beon-gil, Geumjeong-gu, Busan, 46241, République de Corée

Seoung Ki Lee

École de génie chimique, Université nationale de Chonnam, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, République de Corée

Sang Hyun Lee

Département de physique et d'astronomie, Institut de physique appliquée, Université nationale de Séoul, Séoul, 08826, République de Corée

Takhee Lee

KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology, Université de Corée, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Séoul, 02841, République de Corée

Monticule d'argent

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T.-WK a développé l'idée. SH, AL, T.-WK ont mené les expériences, et SH, MK, AL, SB, S.-KL, SHL, TL, GW, T.-WK ont collecté et analysé les données. SH, MK, T.-WK ont rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont discuté des résultats et commenté le manuscrit. T.-WK a supervisé le projet, révisé le manuscrit et dirigé l'effort jusqu'à son achèvement.

Correspondance avec Tae-Wook Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie Cédric Cochrane et le(s) autre(s) relecteur(s) anonyme(s) pour leur contribution à la relecture par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Hwang, S., Kang, M., Lee, A. et al. Intégration de multiples composants électroniques sur une microfibre vers une plateforme textile électronique émergente. Nat Commun 13, 3173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

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Reçu : 29 juin 2021

Accepté : 23 mai 2022

Publié: 08 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

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