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

By admin in 技术中心 on 2019年3月25日

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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。

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。

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)。

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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。

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把握技术发展主动权

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:

betway必威官网 1图1:空气中的水氧分子与载流子相互作用示意图

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。

作为推动“物联网”最核心硬件技术的柔性和可穿戴电子领域,世界上还没有任何一个国家和地区拥有绝对的技术优势,而且其生产设备的投资远远低于传统硅芯片生产所需的几十甚至上百亿美元的投入。只要我国加大重视和增加研发投入,一定会在材料、器件以及系统集成方面取得突破,并充分发挥柔性大面积电子在物联网应用中的柔性、超薄、低成本、环保等优势,使其成为一个高技术、引领性的产业。

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。”

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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betway必威官网,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。

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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。

有机薄膜晶体管不稳定性机制模型。

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。

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。

实验结果表明,该模型为统一理论模型,不但可以解释低导电特性的OTFT器件,还可以解释类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件,为将来OTFT的大规模应用提供了理论指导和依据。

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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。

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。

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”。

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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。

排版:小石头

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。

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。

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。

未来可以预见,世界上任何一个物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾,都可以通过物联网进行信息交换。在那时,射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等将得到更加广泛的应用。

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。

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