Nanostrukturirana dielektrična vrata povećavaju stabilnost organskih tankoslojnih tranzistora

Anonim

Dielektrična vrata nanostrukturnih vrata možda su se suočila s najznačajnijom preprekom za širenje uporabe organskih poluvodiča za transistore tankog filma. Struktura, sastavljena od fluoropolimernog sloja nakon kojeg slijedi nanolaminat izrađen od dva metala oksidnih materijala, služi kao dielektrična vrata i istodobno štiti organski poluvodič - koji je prethodno bio ranjiv na oštećenja okoliša - i omogućuje transistorsima rad s nevidjenim stabilnost.

Nova struktura daje stabilnost tankog filma tranzistora usporedivu s onima iz anorganskih materijala, omogućujući im da rade u uvjetima okoline - čak i pod vodom. Organski tankoslojni tranzistori mogu se dobiti na niskoj temperaturi na različitim fleksibilnim podlogama, koristeći se tehnikama kao što je tintni ispis, potencijalno otvarajući nove aplikacije koje koriste jednostavne, aditivne postupke izrade.

"Sada smo dokazali geometriju koja daje životne performanse koje prvi put utvruju da organski krugovi mogu biti jednako stabilni kao i uređaji proizvedeni s konvencionalnim anorganskim tehnologijama", rekao je Bernard Kippelen, profesor Joseph M. Pettit iz Georgia Techove škole za električnu energiju i Računalno inženjerstvo (ECE) i direktorica Centra za organsku fotoniku i elektroniku Georgije Technique (COPE). "Ovo bi moglo biti točka za organske transdermalne tankoslojne transistore, rješavajući dugoročne zabrinutosti zbog stabilnosti organskih uređaja za ispis".

Istraživanje je objavljeno 12. siječnja u časopisu Science Advances. Istraživanje je kulminacija 15-godišnjeg razvoja unutar COPE-a, a podržali su i sponzori, uključujući Office of Naval Research, Zrakoplovni ured za znanstvena istraživanja i Nacionalna uprava za nuklearnu sigurnost.

Transistori sadrže tri elektrode. Izvor i odvodna elektroda prolaze struju za stvaranje "uključenog" stanja, ali samo kada se napona primjeni na elektrodi vrata, koja se odvaja od organskog poluvodičkog materijala pomoću tankog dielektričnog sloja. Jedinstveni aspekt arhitekture razvijen u Georgia Tech je taj da ovaj dielektrični sloj koristi dvije komponente, fluoropolimer i metal-oksidni sloj.

"Kada smo prvi put razvili ovu arhitekturu, ovaj metalni oksidni sloj bio je aluminij oksid, koji je osjetljiv na oštećenja od vlage", rekao je Canek Fuentes-Hernandez, viši znanstveni istraživač i koautor rada. "Radeći u suradnji s profesorom Georgia Techom Samuelom Grahamom, razvili smo složene barijere nanolaminata koje bi mogle biti proizvedene na temperaturama ispod 110 stupnjeva Celzija, a kada se koriste kao vrata dielektrična, omogućili su tranzistore da se uranjaju u vodu blizu vrelišta."

Nova Georgia Tech arhitektura koristi izmjenične slojeve aluminijskog oksida i hafnijevog oksida - pet slojeva jednog, potom pet slojeva druge, ponavljano 30 puta na fluoropolimeru - kako bi se dielektrično. Slojevi oksida proizvode se s taloženjem atomskog sloja (ALD). Nanolaminat, koji završava oko 50 nanometara debljine, praktički je imuno na učinke vlažnosti.

"Iako smo znali da ova arhitektura daje dobre barijere, otpušteni smo od strane stabilnih tranzistora s novom arhitekturom", rekao je Fuentes-Hernandez. "Učinkovitost tih tranzistora ostala je gotovo nepromijenjena čak i kada smo ih operirali stotinama sati i na povišenim temperaturama od 75 stupnjeva Celzijusa, što je daleko najstabilniji organski tranzistor koji smo ikad izradili."

Za laboratorijske demonstracije, istraživači su koristili staklenu podlogu, ali se također mogu upotrijebiti i mnogi drugi fleksibilni materijali, uključujući polimere, pa čak i papir.

U laboratoriju, istraživači su koristili standardne tehnike rasta ALD-a za proizvodnju nanolaminata. Ali novi procesi koji se nazivaju prostornim ALD-om - koji koriste više glava s mlaznicama koji isporučuju prethodnike - mogli bi ubrzati proizvodnju i omogućiti da se uređaji povećaju veličinom. "ALD je dosegao razinu zrelosti na kojem je postao skalabilan industrijski proces, a mi mislimo da će to omogućiti novu fazu u razvoju organskih tankoslojnih tranzistora", rekao je Kippelen.

Očita primjena je za tranzistore koji kontroliraju piksele u ekološkim osvjetljavajućim zaslonom (OLED) koji se koriste u takvim uređajima kao što su iPhone X i Samsung telefoni. Ti pikseli sada kontroliraju tranzistori proizvedeni s konvencionalnim anorganskim poluvodičima, ali s dodatnom stabilnošću koju pruža nanolaminat, mogli bi se umjesto toga napraviti s organskim tankoslojnim tranzistorima za ispis.

Interneti uređaji (IoT) mogli bi također imati koristi od izrade koju omogućuje nova tehnologija, omogućujući proizvodnju tintnim pisačima i drugim procesima tiskanja i premaza s niskim troškovima. Tehnologija nanolaminata mogla bi također omogućiti razvoj jeftinih uređaja na bazi papira, kao što su pametne ulaznice, koje bi koristile antene, zaslone i memoriju proizvedenu na papiru kroz niske troškove.

No, najdramatičnije aplikacije mogu biti u vrlo velikim fleksibilnim zaslonima koji se mogu namotavati kada nisu u uporabi.

"Dobit ćemo bolju kvalitetu slike, veću veličinu i bolju rezoluciju", rekao je Kippelen. "Budući da ti zasloni postaju veći, kritični faktor konvencionalnih zaslona bit će ograničenje. Slaba razina procesne tehnologije na bazi ugljika omogućit će namještanje zaslona, ​​olakšavajući nošenje i manje podložne oštećenju.

Za njihovu demonstraciju, Kippelenov tim - koji također uključuje Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang i Youngrak Park - koristio je model organskog poluvodiča. Materijal ima dobro poznata svojstva, ali s vrijednostima mobilnosti nositelja 1, 6 cm2 / V nije najbrži dostupan. Kao sljedeći korak, znanstvenici bi htjeli testirati svoj proces na novijim organskim poluvodičima koji pružaju veću mobilnost naboja. Također planiraju nastaviti testiranje nanolaminata u različitim uvjetima savijanja, kroz dulje vremenske periode i na drugim platformama uređaja poput fotodetektora.

Iako elektronika na bazi ugljika širi svoje mogućnosti uređaja, tradicionalni materijali kao što su silici nemaju se strahovati.

"Kada je riječ o velikim brzinama, kristalni materijali poput silicija ili galijevog nitrida zasigurno će imati sjajnu i vrlo dugu budućnost", rekao je Kippelen. "Ali za mnoge buduće tiskane primjene, kombinacija najnovijih organskih poluvodiča s povećanom mobilnošću naboja i nanostrukturiranog vrata dielektrična će pružiti vrlo moćnu tehnologiju uređaja".

menu
menu