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Wissenschaftler des MIPT haben ein ultraflexibles biokompatibles Flash-Laufwerk entwickelt

Forscher des MIPT Institute of Quantum Technologies haben einen ultraflexiblen und dehnbaren ferroelektrischen Speicher auf einer biokompatiblen Plattform geschaffen. Sie entwickelten eine Technologie zur Herstellung von Filmspeichern, einen Ständer zur Prüfung seiner Eigenschaften und bestätigten theoretisch die Ergebnisse experimenteller Tests. Der resultierende „Flash-Drive“ mit einer Dicke von nur 30 Mikrometern hält 150.000 Biegezyklen und einer Zugbelastung von eineinhalb Kilogramm stand, ohne seine ferroelektrischen Eigenschaften zu verlieren, und kann zur Herstellung flexibler medizinischer Elektronik verwendet werden. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Electronic Materials veröffentlicht.

Flexibler Speicher wird in verschiedenen Anwendungen benötigt: biegbare Displays, E-Paper, E-Textilien. Geräte, deren Design dem flexiblen Speicher ähnelt, können in Öko-Energie-Geräten verwendet werden, um mechanische Belastung in elektrische Energie umzuwandeln und Batterien aufzuladen.

Der Einsatz im Gesundheitswesen ist vielversprechend. Intelligente tragbare Sensoren könnten auf der menschlichen Haut angebracht werden, um beispielsweise Blutdruck, Puls und Körpertemperatur in Echtzeit abzulesen – und diese sofort aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Oder es wäre möglich, „intelligente“ Implantate herzustellen. Zum Beispiel neuronale Implantate, die Mikrocontroller und nichtflüchtigen Speicher enthalten würden. Solche Geräte können bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen helfen, die mit einer beeinträchtigten Gehirnaktivität einhergehen: Epilepsie, Parkinson-Krankheit, schwere klinische Depression und andere.

Speichergeräte auf Basis ferroelektrischer Materialien sind nichtflüchtig, ermöglichen das schnelle Lesen und Schreiben von Daten, verfügen über eine lange Ressource zum Umschreiben von Informationen, einen geringen Stromverbrauch und kompakte Abmessungen.

Die Arbeit der Forscher des MIPT zielte darauf ab, einen flexiblen ferroelektrischen Speicher zu schaffen, der speziell für biomedizinische Anwendungen geeignet ist. Als biokompatible Plattform wurden organische Polyimidfilme und als nichtflüchtiges Speichermaterial ein ferroelektrischer Film aus mit Zirkonium dotiertem Hafniumoxid mit einer Dicke von 10 nm gewählt.

„Hafniumoxidfilme weisen ferroelektrische Eigenschaften auf, wenn sie sehr dünn sind: von 4 bis 30 Nanometern, während bei anderen Materialien eine Dicke von mehr als 100 Nanometern erforderlich ist.“ Daher haben wir erwartet, dass das Material sehr flexibel ist und seine ferroelektrischen Eigenschaften beim Biegen und verschiedenen mechanischen Verformungen behält“, kommentiert Anastasia Chuprik, Leiterin des Labors für fortgeschrittene Datenspeicherkonzepte am MIPT.

Als nächstes entwickelten Wissenschaftler eine mehrstufige Technologie zur Herstellung eines flexiblen biokompatiblen „Flash-Laufwerks“ und einen Ständer zum Testen mechanischer Eigenschaften. Um die im Experiment erzielten Ergebnisse zu bestätigen, wurden theoretische quantenmechanische Berechnungen durchgeführt, die die Rolle mechanischer Spannungen bei den ferroelektrischen Eigenschaften des Filmspeichers erklärten.

„Die Technologie zur Herstellung eines Geräts auf einem Substrat ist sehr komplex und mehrstufig. Aber dadurch war es möglich, eine sehr geringe Dicke der Geräteprobe zu erreichen“, sagt Anastasia Chuprik. „Und um zu zeigen, dass das Gerät über beispiellose mechanische Eigenschaften verfügt – es kann wiederholtem Falten in der Mitte standhalten – haben wir eine komplette Installation entwickelt. Hier haben wir gezeigt, dass das Gerät 150.000 Biegezyklen und Dehnungen bei einer Belastung von eineinhalb Kilogramm standhält. Manuell wären wir nicht in der Lage, solche Zahlen zu erreichen.“

Trotz aller Tests, die die Forscher mit dem Film-Flash-Laufwerk durchführten, behielt es seine ferroelektrischen Eigenschaften.

Laut Wissenschaftlern haben sie diesen flexiblen Speicher auf ein relativ hohes Entwicklungsstadium gebracht, als in einer Anlage zum Testen mechanischer und ferroelektrischer Eigenschaften dieser flexible Film-„Chip“ einfach in einen Standardanschluss zum Lesen von Informationen eingeführt wird.

Als Ergebnis der durchgeführten Arbeiten war es nicht nur möglich, das Gerät selbst mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften zu schaffen. Es wurde eine hochentwickelte Technologie zur Herstellung dünner Filme mit „Gedächtnis“ auf einem flexiblen und biokompatiblen Substrat entwickelt und eine Bank zum Testen mechanischer und ferroelektrischer Eigenschaften entwickelt. Das Gerät könnte ein Speicherprototyp für tragbare und medizinische Elektronik werden. Die verwendete Technologie und der Prüfstand werden dazu beitragen, neue Elemente flexibler Elektronik zu schaffen und bestehende Speichergeräte zu verbessern.

Die Arbeit wurde mit finanzieller Unterstützung der Russian Science Foundation (Projekt Nr. 20-19-00370) durchgeführt.

Wissenschaftler des MIPT haben ein ultraflexibles biokompatibles Flash-Laufwerk entwickelt