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从可穿戴设备到纸币防伪,这种技术将走进我们

文章作者:科学技术 上传时间:2019-10-11

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

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。

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。

物联网和智能物品的“最核心”技术——柔性有机薄膜晶体管(OTFT)

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。

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。

在这种新的形势下,信息科技在后摩尔时代必须有新的基础性突破和发展。与此同时,人类社会将全面进入信息网络社会和知识文明时代,信息网络将成为人类最重要的基础设施和公共资源,成为国家、社会法人和个人重要的生存发展平台。信息科技也将步入信息网络、物理世界和人类社会三者动态交互、全面融合的物联网时代。

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。”

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。

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:

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。

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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。

有机薄膜晶体管不稳定性机制模型。

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。

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。

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。

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。”

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。

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。

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。

国际前沿的领跑者

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。

从2008年起,复旦大学仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队联合瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家理工学院开始针对有机薄膜晶体管(OTFT)展开一系列的研究。近年来,该团队在有机半导体材料和器件研究方面取得骄人成果,并很快走到国际前沿,研究成果陆续刊登在Advanced Materials 、IEEE Electron Device Letters 、IEEE Transactions on Electron Devices 等国际知名学术期刊上,受到广泛关注。

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研究团队首先希望在器件运行速度上有所突破,达到可实用要求,并探索有机薄膜晶体管(OTFT)电学性能稳定性的本质机理。在实验过程中,他们发现如果对这些有机材料进行某种程度的修饰,比如,采用碳纳米管掺杂的有机半导体材料,就可显著改善OTFT的电学性能。经过五年多的不断尝试、试验,该科研团队已成功将有机薄膜迁移率从10﹣4 cm2/Vs提高到10 cm2/Vs左右,增加了四个数量级,接近多晶硅的水平,达到了可实用的量级。

大家可以穿着智能可穿戴设备进行锻炼。

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。

排版:小石头

机理性突破:“水氧电化学反应”引发的“海绵效应”

题图来源:图虫创意

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。

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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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