Nanostrukturirani dielektriki vrat povečujejo stabilnost organskih tankoplastnih tranzistorjev

Anonim

Nanostrukturiran dielektrični vrat je lahko obravnaval najpomembnejšo oviro za razširitev uporabe organskih polprevodnikov za tankoplastne tranzistorje. Struktura, sestavljena iz fluoropolimerne plasti, ki ji sledi nanolaminat iz dveh kovinskih oksidnih materialov, služi kot vratni dielektrični element in istočasno ščiti organski polprevodnik, ki je bil prej ranljiv za poškodbe okolice okolja in tranzistorjem omogoča delovanje brez primere stabilnost.

Nova struktura omogoča stabilnost tankoplastnih tranzistorjev, primerljiva s tistimi iz anorganskih materialov, ki omogočajo delovanje v okoliških pogojih - tudi pod vodo. Organski tankoplastni tranzistorji so lahko poceni pri nizki temperaturi na različnih fleksibilnih podlagah z uporabo tehnik, kot je brizgalni tisk, ki potencialno odpira nove aplikacije, ki izkoriščajo enostavne, aditivne postopke izdelave.

"Zdaj smo dokazali geometrijo, ki prinaša življenjsko učinkovitost, ki prvič ugotovi, da so organska vezja lahko tako stabilna kot naprave, proizvedene z običajnimi anorganskimi tehnologijami, " je povedal Bernard Kippelen, profesor Joseph M. Pettit na šoli za elektrotehniko Računalniški inženiring (ECE) in direktor Centra za organsko fotoniko in elektroniko (COPE) Georgia Tech. "To je lahko glavna točka za organske tankoplastne tranzistorje, ki obravnavajo dolgoletne skrbi glede stabilnosti ekoloških tiskalnih naprav".

Raziskava je bila objavljena 12. januarja v reviji Science Advances. Raziskava je vrhunec 15 let razvoja v okviru COPE in jo podpirajo sponzorji, med njimi Urad pomorskih raziskav, Urad za znanstvene raziskave Air Force in Nacionalna uprava za jedrsko varnost.

Tranzistorji obsegajo tri elektrode. Izvorne in odtočne elektrode prenesejo tok, da ustvarijo stanje "vklopljeno", vendar le, če se tlačna elektroda, ki je ločena od organskega polprevodniškega materiala, tanjša dielektrična plast. Edinstven vidik arhitekture, razvitega v Georgia Tech, je, da ta dielektrična plast uporablja dve komponenti, fluoropolimer in plast kovinskega oksida.

"Ko smo prvič razvili to arhitekturo, je bil ta plasti kovinskega oksida aluminijev oksid, ki je občutljiv na škodo zaradi vlažnosti, " je dejal Canek Fuentes-Hernandez, višji znanstvenik in koautor časopisa. "V sodelovanju z profesorjem Georgia Tech Samuelom Grahamom smo razvili kompleksne nanolaminatne pregrade, ki se lahko proizvedejo pri temperaturah pod 110 stopinj Celzija, in da se pri uporabi kot dielektrični vrat omogočijo, da tranzistorji ostanejo potopljeni v vodo blizu vrelišča."

Nova arhitektura Georgia Tech uporablja izmenične plasti aluminijevega oksida in hafnijevega oksida - pet plasti enega, nato pet plasti drugega, ponavljajoče se 30-krat na vrhu fluoropolimera - za izdelavo dielektrika. Oksidne plasti se proizvajajo z nanosom atomskega sloja (ALD). Nanolaminat, ki konča približno 50 nanometrov, je praktično odporen na učinke vlažnosti.

"Medtem ko smo vedeli, da je ta arhitektura prinesla dobre pregrade lastnosti, smo bili odpihnjeni, kako stabilno tranzistorji delujejo z novo arhitekturo, " je dejal Fuentes-Hernandez. "Zmogljivost teh tranzistorjev je ostala praktično nespremenjena, tudi če smo jih upravljali na stotine ur in pri povišanih temperaturah 75 stopinj Celzija. To je bil daleč najbolj stabilen organski tranzistor, ki smo ga kdaj izdelovali."

Za laboratorijsko demonstracijo so raziskovalci uporabili stekleni substrat, lahko pa je bilo uporabljenih tudi veliko drugih fleksibilnih materialov - tudi polimerov in celo papirja.

V laboratoriju so raziskovalci uporabili standardne tehnike rasti ALD za proizvodnjo nanolaminata. Toda novejši procesi, ki se imenujejo prostorski ALD - z uporabo več glave s šobami, ki dajo prekurzorje, bi lahko pospešili proizvodnjo in omogočili povečanje velikosti naprav. "ALD je zdaj dosegel raven zrelosti, na kateri je postal razširljiv industrijski proces, in menimo, da bo to omogočilo novo fazo razvoja organskih tankoplastnih tranzistorjev", je dejal Kippelen.

Očitna aplikacija je za tranzistorje, ki nadzorujejo slikovne pike v organskih svetlobnih oddajnikih (OLED), ki se uporabljajo v napravah, kot so telefoni iPhone X in Samsung. Te piksle zdaj nadzirajo tranzistorji, proizvedeni s konvencionalnimi anorganskimi polprevodniki, vendar z dodatno stabilnostjo, ki jo zagotavlja novi nanolaminat, bi jih morda lahko naredili s tiskalnimi organskimi tankoplastnimi tranzistorji.

Naprave za internet stvari (IoT) bi lahko koristile tudi izdelave, ki jih omogoča nova tehnologija, kar omogoča proizvodnjo s brizgalnimi tiskalniki in drugimi poceni tiskarskimi in prevlečnimi postopki. Nanolaminatna tehnika bi lahko omogočila tudi razvoj poceni papirnih naprav, kot so pametne vstopnice, ki bi z nizkocenovnimi procesi uporabljali antene, zaslone in pomnilnik, izdelane na papirju.

Najbolj dramatične aplikacije pa bi bile lahko pri zelo velikih prilagodljivih zaslonih, ki bi jih bilo mogoče zamenjati, ko jih ne uporabljate.

"Dobili bomo boljšo kakovost slike, večjo velikost in boljšo ločljivost, " je dejal Kippelen. "Ker bodo ti zasloni postali večji, bo tolikšna forma faktorja konvencionalnih prikazov omejitev. Nizka tehnologija za obdelavo ogljika temelji na tehnologiji, ki omogoča, da se zaslon zavrti, zaradi česar je enostavno prenašati in manj občutljiv na poškodbe.

Kippelenova ekipa, ki prav tako vključuje Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang in Youngrak Park, je za predstavitev uporabljala model organskega polprevodnika. Material ima znane lastnosti, vendar z vrednostmi gibljivosti nosilca 1, 6 cm2 / Vs ni najhitreje na voljo. Kot naslednji korak bi morali raziskovalci preizkusiti svoj proces na novejših organskih polprevodnikih, ki zagotavljajo večjo mobilnost polnjenja. Načrtujejo tudi, da še naprej preizkušajo nanolaminat pod različnimi pogoji upogibanja, v daljših časovnih obdobjih in na drugih platformah naprav, kot so fotodetektorji.

Čeprav elektronika na osnovi ogljika širi svoje zmogljivosti, se tradicionalni materiali, kot je silicij, ne bojijo ničesar.

"Ko gre za visoke hitrosti, bodo kristalni materiali, kot je silicijev ali galijev nitrid, zagotovo imel svetlo in zelo dolgo prihodnost, " je dejal Kippelen. "Toda za številne prihodnje tiskane aplikacije bo kombinacija najnovejšega ekološkega polprevodnika z večjo mobilnostjo polnjenja in nanostrukturiranega dielektričnega vhoda zagotovila zelo zmogljivo tehnologijo naprave."

menu
menu