อิเล็กทริกของอิเล็กทรอนิคส์อินฟราเรดบางตัวช่วยเพิ่มเสถียรภาพของทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางอินทรีย์

Anonim

อิเล็กทริกของอิเล็กทรอนิคส์ที่สร้างด้วยโครงสร้างนาโนอาจเป็นอุปสรรคสำคัญที่สุดในการขยายการใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์สำหรับทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง ๆ โครงสร้างประกอบด้วยชั้น fluoropolymer ตามด้วย nanolaminate ทำจากวัสดุโลหะออกไซด์สองชนิดทำหน้าที่เป็นอิเล็กทรอนิคส์ของประตูและพร้อมปกป้องสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ที่เคยได้รับความเสียหายจากสภาพแวดล้อมโดยรอบและช่วยให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้อย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน ความมั่นคง

โครงสร้างใหม่ช่วยให้ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางมีเสถียรภาพเทียบเท่ากับวัสดุอนินทรีย์ทำให้สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมได้แม้อยู่ใต้น้ำ ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางอินทรีย์สามารถทำราคาไม่แพงที่อุณหภูมิต่ำบนพื้นผิวยืดหยุ่นต่างๆโดยใช้เทคนิคต่างๆเช่นการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตซึ่งอาจเปิดการใช้งานใหม่ ๆ ซึ่งใช้ประโยชน์จากกระบวนการผลิตที่ง่าย ๆ

"เราได้พิสูจน์แล้วว่ารูปทรงเรขาคณิตที่ให้ประสิทธิภาพการทำงานตลอดชีวิตที่เป็นครั้งแรกที่สร้างวงจรอินทรีย์จะมีเสถียรภาพเช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีอนินทรีย์ธรรมดา" Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit ศาสตราจารย์ของ Georgia Tech's School of Electrical and วิศวกรรมคอมพิวเตอร์ (ECE) และผู้อำนวยการศูนย์เทคโนโลยีออร์แกนิกและอิเล็กทรอนิคส์อินทรีย์แห่งจอร์เจียเทค (COPE) "นี่อาจเป็นจุดให้ทิปสำหรับทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางอินทรีย์เพื่อแก้ไขปัญหาความกังวลเกี่ยวกับเสถียรภาพของอุปกรณ์ที่สามารถพิมพ์ได้ตามธรรมชาติ"

การวิจัยได้รับรายงาน 12 มกราคมในวารสาร Science Advances งานวิจัยนี้เป็นจุดสุดยอดของการพัฒนาภายในระยะเวลา 15 ปีใน COPE และได้รับการสนับสนุนจากผู้สนับสนุน ได้แก่ Office of Naval Research, สำนักงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศและ National Security Administration

ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยสามขั้ว อิเล็กโทรดจากแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำผ่านปัจจุบันเพื่อสร้างสถานะ "เปิด" แต่เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำมาใช้กับอิเล็กโทรดขั้วประตูซึ่งแยกออกจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์โดยชั้นอิเล็กทริก ลักษณะเฉพาะของสถาปัตยกรรมที่พัฒนาขึ้นที่ Georgia Tech คือชั้นอิเล็กทริกนี้ใช้ส่วนประกอบสองส่วน ได้แก่ ฟลูโลสโพลิเมอร์และชั้นเมทัลออกไซด์

Canek Fuentes-Hernandez, นักวิจัยอาวุโสและผู้เขียนร่วมของกระดาษกล่าวว่า "เมื่อเราพัฒนาสถาปัตยกรรมนี้เป็นครั้งแรกชั้นโลหะออกไซด์นี้เป็นอลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งเสี่ยงต่อการถูกทำลายจากความชื้น" "การทำงานร่วมกับศาสตราจารย์จอร์เจียเทคศาสตราจารย์ซามูเอลเกรแฮมเราพัฒนาอุปสรรค nanolaminate ที่ซับซ้อนซึ่งสามารถผลิตได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 110 องศาเซลเซียสและเมื่อใช้เป็นอิเล็กทริกของประตูทำให้ทรานซิสเตอร์สามารถทนต่อการแช่ในน้ำใกล้จุดเดือด"

โครงสร้างใหม่ของจอร์เจียเทคใช้ชั้นอะลูมิเนียมออกไซด์และฮาฟเนียมออกไซด์สลับกัน - ห้าชั้นหนึ่งชั้นห้าชั้นอีกครั้งหนึ่งทำซ้ำ 30 ครั้งบนฟลูออรีนโพลิเมอร์ - เพื่อสร้างอิเล็กทริก ชั้นออกไซด์ผลิตด้วยการสะสมของชั้นอะตอม (ALD) nanolaminate ซึ่งมีความหนาประมาณ 50 นาโนเมตรเป็นเสมือนภูมิคุ้มกันต่อผลกระทบของความชื้น

Fuentes-Hernandez กล่าวว่า "ในขณะที่เรารู้ว่าสถาปัตยกรรมแบบนี้มีคุณสมบัติเป็นอุปสรรคที่ดี แต่เราก็ถูกพัดพาไปโดยการทำงานของทรานซิสเตอร์ที่เสถียรกับสถาปัตยกรรมใหม่" "ผลการดำเนินงานของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงแม้ว่าเราจะใช้งานเป็นเวลาหลายร้อยชั่วโมงและที่อุณหภูมิสูงถึง 75 องศาเซลเซียสนี่เป็นทรานซิสเตอร์ที่มีเสถียรภาพมากที่สุดที่เราเคยประดิษฐ์ขึ้นมา"

สำหรับการสาธิตในห้องปฏิบัติการนักวิจัยใช้พื้นผิวแก้ว แต่สามารถใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นอื่น ๆ เช่นโพลิเมอร์และกระดาษได้

ในห้องปฏิบัติการนักวิจัยใช้เทคนิคการหมักแบบ ALD แบบมาตรฐานเพื่อสร้าง nanolaminate แต่กระบวนการใหม่ที่เรียกว่า ALD เชิงพื้นที่ซึ่งใช้หัวหลายหัวพร้อมหัวฉีดที่ส่งสารตั้งต้นจะช่วยเร่งการผลิตและทำให้อุปกรณ์สามารถปรับขนาดได้ "ALD ถึงตอนนี้ถึงระดับของการที่มันได้กลายเป็นกระบวนการอุตสาหกรรมที่ปรับขนาดได้และเราคิดว่านี้จะช่วยให้ระยะใหม่ในการพัฒนาทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางอินทรีย์" Kippelen กล่าว

แอ็พพลิเคชันที่เห็นได้ชัดคือสำหรับทรานซิสเตอร์ที่ควบคุมพิกเซลใน OLED ที่ใช้ในอุปกรณ์เช่น iPhone X และโทรศัพท์ซัมซุง พิกเซลเหล่านี้ถูกควบคุมโดยทรานซิสเตอร์ที่ประดิษฐ์ด้วยสารกึ่งตัวนำแบบอนินทรีย์แบบเดิม แต่ด้วยความเสถียรเพิ่มเติมจาก nanolaminate ใหม่พวกเขาอาจจะทำด้วยทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางชนิดอินฟราเรดที่สามารถพิมพ์ได้แทน

อินเทอร์เน็ตของสิ่งอุปกรณ์ (IoT) ยังสามารถได้รับประโยชน์จากการประดิษฐ์ที่เปิดใช้งานโดยเทคโนโลยีใหม่ทำให้สามารถผลิตด้วยเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทและกระบวนการพิมพ์และเคลือบที่มีต้นทุนต่ำอื่น ๆ เทคนิค nanolaminate อาจช่วยให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้กระดาษได้ไม่แพงเช่นตั๋วอัจฉริยะซึ่งจะใช้เสาอากาศจอแสดงผลและหน่วยความจำที่สร้างขึ้นบนกระดาษผ่านกระบวนการที่มีต้นทุนต่ำ

แต่แอพพลิเคชันที่น่าทึ่งที่สุดอาจอยู่ในจอแสดงผลแบบยืดหยุ่นขนาดใหญ่ที่สามารถรีดขึ้นเมื่อไม่ใช้งาน

"เราจะได้ภาพที่มีคุณภาพดีกว่ามีขนาดใหญ่กว่าและมีความละเอียดดีกว่า" Kippelen กล่าว "เนื่องจากหน้าจอเหล่านี้มีขนาดใหญ่ขึ้นรูปแบบที่เข้มงวดของจอแสดงผลแบบเดิมจะเป็นข้อ จำกัด ด้านเทคโนโลยีคาร์บอนที่ใช้อุณหภูมิในการประมวลผลต่ำจะช่วยให้หน้าจอหมุนได้ทำให้ง่ายต่อการพกพาและไม่ไวต่อความเสียหาย

สำหรับการสาธิตของพวกเขาทีม Kippelen - ซึ่งรวมถึง Xiaojia Jia, Cheng - Yin Wang และ Youngrak Park - ใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์แบบ วัสดุมีคุณสมบัติที่รู้จักกันดี แต่ด้วยค่าการเคลื่อนที่ของ carrier carrier 1.6 cm2 / Vs ไม่สามารถใช้ได้เร็วที่สุด เป็นขั้นตอนต่อไปพวกเขาต้องการจะทดสอบกระบวนการของพวกเขาในเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ใหม่ที่ให้การเคลื่อนไหวค่าบริการที่สูงขึ้น พวกเขายังวางแผนที่จะทดสอบ nanolaminate ต่อไปภายใต้เงื่อนไขการดัดที่แตกต่างกันในช่วงเวลาที่ยาวขึ้นและในแพลตฟอร์มอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นตัวตรวจจับความร้อน

แม้ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้คาร์บอนกำลังขยายขีดความสามารถของอุปกรณ์อุปกรณ์แบบดั้งเดิมเช่นซิลิคอนก็ไม่มีอะไรต้องกลัว

"เมื่อพูดถึงความเร็วสูงวัสดุที่เป็นผลึกเช่นซิลิคอนหรือแกลเลียมไนไตรด์จะมีอนาคตที่สดใสและยาวนานมาก" คิพเพเลนกล่าว "แต่สำหรับแอพพลิเคชั่นที่ใช้ในงานพิมพ์หลาย ๆ ชิ้นในอนาคตการรวมกันของเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ล่าสุดที่มีความคล่องตัวสูงและอิเล็กทริกของประตูอิเล็กทรอนิคส์ที่มีโครงสร้างจะช่วยให้เทคโนโลยีอุปกรณ์มีประสิทธิภาพมากขึ้น"

menu
menu