北大高校在昭示有机薄膜晶体管稳定性机理方面得到突破,那种技术将走进大家生存的总体

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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。

在施加反向电压后,氢氧根离子(OH﹣)发生逆向电化学反应,水分子(H2O)和氧分子(O2)重新被释放出来,之前被牢牢“锁住”的“空穴”便能在器件中自由“流动”。

有机薄膜晶体管研究可追溯到上世纪80年代。由于有机薄膜晶体管有良好的柔韧性,并具备厚度小、能弯曲等常规硅基微电子器件不易具备的特点,相关研究旋即受到广泛关注。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研究小组,继将有机薄膜晶体管的工作速度提升至可实用的量级后,又揭示了影响有机薄膜晶体管性能稳定性的本质机理。

但令人遗憾的是,当时器件载流子迁移率极低,只有10﹣5
cm2/Vs,远低于非晶硅材料,从而导致器件工作速度慢而且极易在空气中退化。材料中的迁移率是用来表征载流子(电子或空穴)在半导体材料内运动速度的快慢,迁移率越高,器件的运行速度也就越快。

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。”

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。

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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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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。

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。

搭建物联网的基础是数以亿计的信息传感设备。由于柔性电子特有的弯曲性和可延展性,使其在与物的结合中发挥出重要的作用,成为桥接“物”与“云”的关键技术。正因如此,基于有机半导体材料和纳米材料等的柔性大面积电子技术在后摩尔时代得到迅猛发展。

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。

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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。

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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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新葡萄京娱乐网站 ,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。

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因此从某种意义上说,由于其与各种“物”良好的集成性和结合性,可以形成诸如智能包装、可穿戴的健康护理产品等,柔性电子技术成为促成物联网真正普及和大规模应用的“最核心”技术。大面积柔性有机薄膜晶体管(OTFT)和相关集成电路开始受到科研人员的青睐。

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现在,复旦大学的科研团队通过校内外跨学科力量的合作,充分发挥研究型大学的学科优势和人才优势,从系统设计、集成器件、微纳加工等三个方向,不断提升自主创新的能力,继续突破柔性电子系统的核心技术,积极为后摩尔时代的柔性电子行业做好技术开发和储备。

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。

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。

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。

由于理论上单个有机分子就可构成一个功能器件,因而OTFT还有可能实现超高密度和超大容量存储。低成本、易加工、组成结构多变、可折叠、小体积、快响应、低功耗和高存储密度等优点使得OTFT在未来信息存储和逻辑电路方面有着非常广阔的应用前景。

有机薄膜晶体管不稳定性机制模型。

2013年,科研团队在原有的工作基础上,通过进一步研究、论证,最终找到导致OTFT性能发生变化的内在机理,提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型(见图1)。

题图来源:图虫创意

与传统电子器件相比,柔性电子技术拥有众多优点:(1)器件可弯曲与伸展,由此可诞生众多新型应用领域;(2)可以在柔性和大面积衬底上采用大规模印刷技术加工实现,生产成本低廉;(3)加工设备简单,前期投入成本低;(4)加工过程属于低温工艺,工艺简单,不会对环境造成污染。

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。”

机理性突破:“水氧电化学反应”引发的“海绵效应”

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:

随着对硅表面特性的彻底掌握,人们已经可以制备近乎完美的二氧化硅介质。“只有到MOS晶体管的功能设计完美时,才会永久地开启它的时代。”如今,MOS晶体管在集成电路器件中占据主导地位,每年生产的MOS晶体管的数量已远远超过世界上蚂蚁的数量,据统计,半导体制造商每年为世界上每个人生产大约十亿个晶体管。

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