此前国际上对导致有机薄膜晶体管不稳定性的原因众说纷纭,而复旦大学的研究者提出了一个相对具有普适性机制模型:

目前,复旦大学联合瑞典皇家理工学院研发出的一种柔性可穿戴医疗器件Bio-Patch,已经可以像创可贴一样贴在皮肤表面,并实时的测量人体的心电以及体温信息。随着物联网基础条件的不断成熟,未来可穿戴智能医疗器件将越来越多的进入普通人的生活,为人们的生活方式以及医疗保健带来重大变革。

暴露在空气中的有机薄膜晶体管会与空气中的水和氧气发生接触。在正向电压作用下,水分子和氧分子发生电化学反应,在器件表面形成带负电荷的氢氧根离子(OH﹣),这使得器件中带正电荷的载流子(器件中可自由移动的、带有电荷的物质微粒)被氢氧根离子束缚,导致器件无法正常工作。

可以预见,有机薄膜晶体管(OTFT)将与MOS晶体管的一样,具有“里程碑”意义。复旦大学科研团队在OTFT方面的系列研究,特别是稳定性机理方面的突破,将加快“后摩尔时代”的到来。

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在那些对芯片本身性能要求不高,但能大面积灵活使用的应用领域中,比如平板显示和驱动、医学成像、穿戴设备、智能包装、纸币防伪、大面积传感器以及照明等方面,有机薄膜晶体管(OTFT)已经呈现出广泛应用前景。

这种描述水氧电化学反应和有机薄膜载流子间相互作用的模型,很好地解释了有机薄膜晶体管不稳定性的发生机制。根据这个模型,研究人员可能利用在有机薄膜晶体管的表面加合适的保护层等手段克服当前有机薄膜晶体管的不稳定性。

在大气环境下,空气中大量存在的水分子(H2O)和氧气分子(O2)会与OTFT发生直接接触。在正向电压作用下,水分子(H2O)和氧气分子(O2)开始“手拉手”发生电化学反应,器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子(OH﹣)。与此同时,由于正负电荷相互吸引,使得有机半导体材料中带正电荷的“空穴”载流子被OH﹣牢牢“锁住”,缺少“空穴”的OTFT无法导通,也便无法正常工作。

style=”font-size: 16px;”>复旦大学的研究者揭示了导致有机薄膜晶体管性能变化的机制,为进一步改良以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术开拓了前景,从可穿戴设备到纸币防伪,柔性电子技术将有望走进我们生活。

加快“后摩尔时代”的到来

从可穿戴设备到纸币防伪,柔性电子技术将有望走进我们生活的方方面面。

把握技术发展主动权

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整个过程犹如在一条不断流动的小溪里投掷大量的“海绵”。当海绵(在此形容水分子和氧分子)吸收水分之后(相当于在正向电压作用下束缚“空穴”载流子),小溪近乎干涸而无水流流动。当海绵受到挤压(相当于施加反向电压),海绵内的水再次回到河沟,小溪重新恢复流动。

而在施加反向电压后,由于氢氧根离子发生逆向反应,被束缚的载流子又重获自由,在器件中正常流动。“晶体管有一个非常重要的功能,就是逻辑操作。原来晶体管是开着的,给它赋予的是1的状态,但过一段时间突然从1这个状态跳到0,这是我们所不希望的。”
仇志军指出:“(载流子)一会儿被锁住,一会儿又会被释放出来,没法控制,所以导致稳定性比较差。”

国际前沿的领跑者

目前有机薄膜晶体管的发展主要面临两大难题。“一个是迁移率的问题,有机薄膜晶体管导电能力差,因此应用起来就比较困难。另外一个问题在于可靠性,有机薄膜晶体管在应用时可能不稳定。”刘冉教授介绍道:“这些年在提高迁移率方面获得不少进展。近两年我们开始研究第二个问题。”

在过去近30年的研究过程中,各国科学家在材料、器件、系统集成以及制备工艺方面取得了一定进展,但仍面临诸多困难和挑战。与成熟的硅器件相比,目前OTFT的大规模应用存在两大障碍,一是电流驱动能力不够、迁移率低下,二是可靠性差、寿命短。

题图来源:图虫创意

早在上世纪80年代初,国外就有科学家开始尝试用有机半导体材料替代硅材料作为导电沟道,构成新型薄膜场效应晶体管(TFT),开创了有机薄膜晶体管(OTFT)研究。OTFT质轻,膜薄,具有良好的柔韧性,还可以大面积“印刷”在任意材料表面,达到大幅降低生产成本目的。不同于常规硅基微电子器件,OTFT具有加工工艺简单、成本低廉和易弯曲等优点而赢得广泛关注。

原标题:从可穿戴设备到纸币防伪,这种技术将走进我们生活的方方面面

应用前景广阔

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传感器是实现物联网不可缺少的基本组成部分之一。要将世界的万事万物联系在一起,必须通过功能各异的传感器感知并传递周围环境信息,而物联网技术的发展和成熟也对传感器提出了新的要求。低成本,低功耗,可印刷的柔性薄膜传感器的市场需求将在未来十年中急剧增加。

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未来,随着有机薄膜晶体管(OTFT)运行速度的不断加快,透明可弯曲的手机、透明可收卷的电视,乃至可显示新闻股市和天气的车窗都可以成为现实。

谈及有机薄膜晶体管在未来的应用,刘冉表示:“有机薄膜晶体管并不能取代硅的集成电路,但能够实现一些新的应用。”以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术具有器件可伸展弯曲、加工设备相对简单、成本低廉等优点,在大面积的柔性显示设备及低成本的智能电子标签等领域具有广阔的应用前景。

但是还有一个根本性问题始终困扰着该研究团队——如何提高OTFT的性能稳定性。在解决该问题之前必须先了解“影响有机薄膜晶体管稳定性的内在机理究竟是什么”?研究团队决定打破砂锅问到底。

有机薄膜晶体管不稳定性机制模型。

整整五十年前的1964年,世界上第一块商用数字MOS集成电路诞生。这是曾经冲击市场的最差的产品之一:相当大的一部分产品没几天就不能工作了。直到人们对MOS晶体管的表面物理性质有了更深入的理解,发现其中部分原因在于:二氧化硅绝缘介质中存在钠、钾等可动离子电荷,并且这些电荷受电压等外界因素影响。此后,稳定的MOS晶体管才被制造出来,第一次晶体管技术革命随即到来。

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近日,复旦大学信息科学与工程学院仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队在揭示有机薄膜晶体管(OTFT)性能稳定性机制上取得突破性进展,提出了一种水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用的统一理论模型,这一成果有望加速柔性电子领域的大规模应用。相关论文发表在1月27日出版的国际权威性学术期刊《自然-通讯》(Nature
Communications)杂志上。

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国际上对有机薄膜晶体管(OTFT)性能非稳定性来源存在多种解释,然而尚未达成统一认识。一般认为,外界环境如水、氧以及光照和温度等都对OTFT的稳定性有着重要影响,导致器件性能发生变化。

1965年,英特尔创始人之一的戈登·摩尔(Gordon E.
Moore)提出,集成电路上可容纳的晶体管数目约每两年便会增加一倍。半导体技术已经以符合这种“摩尔定律”的趋势发展了数十年。然而,根据国际半导体技术发展蓝图组织(ITRS)的评估,这种发展势头将会减慢。而另一方面,有机薄膜晶体管(OTFT)作为印制电子关键技术,则在几年间获得了长足进展。

在过去的半个多世纪里,以集成电路为基础的信息技术突飞猛进,引发了人类生产和生活方式的深刻变革。随着半导体器件尺寸走向量子极限,传统的硅集成电路技术在未来10~15年可能走到尽头,支撑了集成电路半个多世纪发展的摩尔定律开始走向终结。

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