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OTFT又获突破 柔性技术再近一步

2014-06-04 17:47来源:网络整理 浏览数:

  可像纸一样随意卷起放入口袋的手机、可任意弯曲折叠的电视、可显示新闻股市和天气预报的车窗……这些听起来就会让人兴奋不已的高科技产品或将很快成为现实。

  近日,复旦大学研究者首次揭示了影响有机薄膜晶体管性能稳定性的作用机制,这一成果突破了该技术大规模生产应用中的关键瓶颈,有望加速柔性电子技术的大规模应用。其相关论文发表于最近出版的国际权威性学术期刊《自然—通讯》杂志上——

  可“印刷”在任意材料表面

  有机薄膜晶体管(OTFT,organic thin film transistor)是以有机半导体材料为有源层的场效应晶体管器件。“它是柔性电子技术的核心,基本结构和功能与传统的薄膜晶体管(TFT)基本相同,不同的是它采用有机材料作为工作物质。”复旦大学信息科学与工程学院副教授仇志军说,科学界对有机薄膜晶体管的研究可追溯到上世纪80年代。

  科学家的兴趣源自有机薄膜晶体管无可比拟的优势。仇志军介绍,无机薄膜晶体管只能以平面方式显示,无法做到很有弹性的弯曲显示,而有机薄膜晶体管因为使用有机材料,则可任意弯曲与伸展,由此真正解放了柔性衬底的柔性,可诞生众多新型应用领域。比如,可被制作于软性基板上,成为可弯曲的显示器。

  不仅如此,与无机薄膜晶体管相比,有机薄膜晶体管加工设备简单,前期投入成本低;加工过程属于低温工艺,一般在180℃以下,工艺简单,不会对环境造成污染;更重要的是,它质轻、膜薄,具有良好的柔韧性,可以大面积“印刷”在任意材料表面,达到大幅降低生产成本的目的。

  与此同时,严峻的现实挑战也让业界和科学界赋予有机薄膜晶体管更多的热情。随着半导体器件尺寸走向量子极限,国际半导体技术发展蓝图组织评估,硅集成电路技术在未来10至15年可能走到尽头。“作为新一代柔性显示的核心技术,有机薄膜晶体管被视为传统硅集成电路的替代品。”复旦大学信息科学与工程学院教授刘冉说,所谓柔性,即可弯曲、折叠甚至拉伸。

  此外,蓬勃发展的物联网也让有机薄膜晶体管的研究更加炙手可热。有关专家预测,2015年我国物联网市场规模有望超过10000亿元,到2020年将超过50000亿元。

  “搭建物联网的基础是数以亿计的信息传感设备,由于特有的弯曲性和可延展性,有机薄膜晶体管成为连接‘物’与‘云’的关键技术。”仇志军进一步解释说,要将物与物联系在一起,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10年急剧增加。

  “海绵效应”突破应用障碍

  尽管有机薄膜晶体管看起来“很美”,遗憾的是,各国科学家虽然在有机薄膜晶体管的材料、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。

  刘冉告诉记者,与成熟的无机薄膜晶体管相比,有机薄膜晶体管的大规模应用主要存在两大障碍,一是材料迁移率低下、导电能力差,因此应用起来比较困难;二是可靠性差、寿命短,在应用时可能不稳定。

  挑战并未放慢研究人员追寻有机薄膜晶体管的脚步。2008年,从事有机半导体材料研究的仇志军与刘冉决定联合瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家理工学院对有机薄膜晶体管展开“攻势”。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,就可显著改善有机薄膜晶体管的电学性能。功夫不负有心人,经过5年反复试验,他们成功将有机薄膜迁移率增加了4个数量级,接近多晶硅的水平,达到了可实用的量级。

  不久,美国科学家也宣布制造出目前世界上运行最快的有机薄膜晶体管,证明了该技术在制造透明电子设备上的巨大潜力。

  但如何提高有机薄膜晶体管的性能稳定性仍一直困扰着众多研究团队,这很大程度上决定了其大规模应用能否顺利实现。“不过,在此之前先需知道影响其稳定性的内在机理,国际学界对有机薄膜晶体管性能不稳定的成因和来源莫衷一是。”仇志军说,一般认为,外界环境,如水、氧以及光照和温度等都对有机薄膜晶体管的稳定性有着重要影响,导致器件性能发生变化。

  复旦大学科研团队通过反复研究、论证,他们发现影响有机薄膜晶体管稳定性的来源存在共性,即空气中大量存在的水分子和氧气分子。“大气环境下,这两种分子会与有机薄膜晶体管发生直接接触,产生水氧电化学反应,阻碍器件正常工作。”仇志军进一步解释说。

  据此,他们进一步提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型,即“海绵效应”模型。实验证实,该模型为统一理论模型,不但可以解释低导电特性的有机薄膜晶体管,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。

  “根据这个模型,研究人员可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。这为将来大规模应用提供了理论指导和依据。”专家们表示。

  弯曲手机折叠电视或成真

  不久的未来,你的家中或许不再需要一盏灯,取而代之的是一面会发光的墙;家中的电视不仅越来越超薄,还可随意折叠……畅想有机薄膜晶体管的未来,刘冉信心满满:“虽然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。”

  比如,可以用于提高纸币防伪功能。有机薄膜晶体管做成后,可以镶嵌到纸币中,对纸币进行类似于IC卡或身份证的编码,防伪效果会非常好,如果晶体管内加入一些电路信号,还可以知道纸币如何流通。

  再如,加速可穿戴设备的应用。“目前已经问世的可穿戴设备,采用的是比较硬的MOS晶体管,大都只能做到部分弯曲,很难做到可以随意折叠、拉伸。”仇志军认为,真正意义上的柔性电子技术能够做到任意弯曲,今后随着有机薄膜晶体管性能稳定性的提高,有望制造出更加柔软的电子设备,届时可穿戴设备或将真正走进我们的生活。

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