Ηλεκτρονικές διατάξεις εναλλαγής αντίστασης και αισθητήρες νανοσωματιδίων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα
Authors: Παπακωνσταντινόπουλος Χαράλαμπος 
Published: November 2022

Τα τελευταία χρόνια, η συνεχώς επιταχυνόμενη ανάπτυξη του διαδικτύου των πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ) έχει δημιουργήσει ένα νέο πεδίο έρευνας συγχωνεύει τομείς διαφόρων επιστημών. Η ανάπτυξη σύγχρονων τεχνολογιών συσκευών (hardware) καθώς και λογισμικού (software), ικανών για τη συλλογή και επεξεργασία μεγάλου όγκου δεδομένων με στόχο τη σύνδεσή τους και την ανταλλαγή των συλλεγόμενων δεδομένων με άλλες συσκευές και συστήματα, είτε μέσω του διαδικτύου (internet) είτε μέσω άλλων πρωτόκολλων επικοινωνιών (communications protocols) γίνεται επιτακτική. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις που για πολλές δεκαετίες κατασκευάζονταν σε συμβατικά υποστρώματα πυριτίου, δεν ανταποκρίνονται πλέον στις απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών. Έτσι, τα τελευταία χρόνια, παράλληλα με την ανάπτυξη καινοτόμων ηλεκτρονικών διατάξεων όπου εξυπηρετούν ανάγκες της σύγχρονης εποχής αλλά και βελτιωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες, έχει αναπτυχθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον προς την κατεύθυνση της κατασκευής ηλεκτρονικών διατάξεων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα. Η ραγδαία ανάπτυξη του τομέα των φορετών ηλεκτρονικών (wearable electronics), έχει επιβάλλει την εστίαση ενός μεγάλου μέρους της έρευνας, στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων με βασικούς εκπροσώπους τις μνήμες τυχαίας προσπέλασης (RAM) και τους αισθητήρες (sensors). Ο συνδυασμός αυτών των δύο διατάξεων μπορεί να οδηγήσει σε ένα ενοποιημένο σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο (real-time monitoring). Οι εφαρμογές αυτού του συστήματος, μπορεί να περιλαμβάνουν καταγραφή διαφόρων φυσιολογικών παραμέτρων της ανθρώπινης δραστηριότητας, όπως καταπόνησης, καρδιακούς παλμούς, θερμοκρασία σώματος, υγρασίας ή και καταγραφή της γλυκόζης του αίματος. Αυτό ορίζεται από την κατασκευή και το είδος του εκάστοτε αισθητήρα. Στη συνέχεια με τη βοήθεια μιας μη πτητικής μνήμης (non-volatile RAM), τα δεδομένα που ανιχνεύθηκαν από τον αισθητήρα, μπορούν να αποθηκευθούν. Ο στόχος της συγκεκριμένης διατριβής, είναι η κατασκευή μη πτητικών μνημών εναλλαγής αντίστασης σε εύκαμπτα υποστρώματα, η ανάπτυξη αισθητήρων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα καθώς και η ανάπτυξη της μεταξύ τους επικοινωνίας. Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκαν μνήμες εναλλαγής αντίστασης αγώγιμης γέφυρας (CBRAM), όπου ύστερα από μελέτη διαφόρων υλικών, τόσο για την κατασκευή της μνημών, όσο και του υποστρώματος στο οποία αυτές αναπτύχθηκαν, επιτεύχθηκε η ανάπτυξη πλήρως λειτουργικών μνημών υπό συνθήκες υψηλής καταπόνησης. Οι μνήμες αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα ναφθαλικού πολυαιθυλένιου (PEN), υλικό το οποίο κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος στην παγκόσμια αγορά, λόγω των ιδιοτήτων του. Το σημαντικότερο σημείο στην κατασκευή αυτών των διατάξεων, είναι η εναπόθεση ενός πυκνού στρώματος νανοσωματιδίων πλατίνας (Pt NPs) στο υπόστρωμα, σαν πρώτο βήμα στην κατασκευή των μνημών. Αυτό οδηγεί τις διατάξεις, να παραμένουν πλήρως λειτουργικές ύστερα από μεγάλα ποσοστά καταπόνησης, καθώς τα Pt NPs βοηθούν στο να παραμένει το κάτω ηλεκτρόδιο (ΒΕ) αγώγιμο. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των μνημών, είναι Pt NPs και νιτρίδιο του τιτανίου (TiN) για το κάτω ηλεκτρόδιο, διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) σαν το ενεργό υλικό και άργυρος (Ag) για το πάνω ηλεκτρόδιο (TE). Οι διατάξεις παραμένουν πλήρως λειτουργικές ύστερα από πολλούς κύκλους καταπόνησης, παρουσιάζοντας μεγάλο παράθυρο μνήμης, ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Επιπροσθέτως, καταγράφηκαν διάφορες νευρομορφικές ιδιότητες, σημαντικές για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων με εφαρμογές σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Έχοντας αναπτύξει αξιόπιστη διαδικασία ανάπτυξης εύκαμπτων τεχνητών συνάψεων, η έρευνα συνεχίστηκε στην κατεύθυνση της κατασκευής εύκαμπτων και εκτατών αισθητήρων παραμόρφωσης. Οι αισθητήρες κατασκευάσθηκαν σε υποστρώματα polydimethylsiloxane (PDMS). Μετά τη σύνθεση του υποστρώματος, και εφαρμόζοντας σε αυτό προ-ένταση, εναποτέθηκε Al2O3 ενώ στη συνέχεια έγινε εναπόθεση ενός πυκνού υμενίου Pt NPs. Μετά την επαναφορά του υποστρώματος στο αρχικό του μήκος, έγινε ο σχηματισμός των ηλεκτροδίων με εναπόθεση Ag. Οι αισθητήρες παρουσιάζουν τρεις με τέσσερις διαφορετικές περιοχές ευαισθησίας, ανάλογα με την αρχική προ-ένταση του υποστρώματος κατά την κατασκευή του αισθητήρα. Η αρχική προ-ένταση του υποστρώματος, δεν καθορίζει μόνο τον αριθμό των περιοχών ευαισθησίας, αλλά και το εύρος τους. Έτσι, μπορούμε να ρυθμίσουμε την περιοχή ευαισθησίας του κάθε αισθητήρα ανάλογα με την εφαρμογή. Τέλος, η εύκαμπτη μνήμη και ο αισθητήρας συνδέθηκαν σε κύκλωμα με τη μνήμη να αποθηκεύει την πληροφορία του αισθητήρα, όταν αυτός εντείνεται σε κάποια κρίσιμη τιμή.