Nanostruktūriniai vartai dielektriku padidina organinių plonų plėvelių tranzistorių stabilumą

Anonim

Nanostruktūrinių vartų dielektrikas galėjo spręsti didžiausią kliūtį plėsti organinių puslaidininkių naudojimą plonasluoksniuose tranzistoriuose. Struktūra, sudaryta iš fluoro polimero sluoksnio, po kurio yra nanolaminatas, pagamintas iš dviejų metalo oksido medžiagų, tarnauja kaip vartelių dielektrikas ir vienu metu apsaugo organinį puslaidininkį, kuris anksčiau buvo pažeidžiamas aplinkos aplinkos žalos atžvilgiu, ir leidžia tranzistorams veikti beprecedenčių stabilumas.

Nauja konstrukcija suteikia plonasluoksnių tranzistorių stabilumą, palygintą su neorganinėmis medžiagomis, todėl jie gali veikti aplinkos sąlygomis - net povandeniu. Organiniai plonasluoksniai tranzistoriai gali būti lengvai nusiprausti žemoje temperatūroje įvairiose lanksčiose substratose, naudojant tokias technologijas kaip rašalinis spausdinimas, potencialiai atidarantys naujas programas, kurios naudoja paprastus, papildomus gamybos procesus.

"Dabar mes įrodėme geometriją, duodančią visą eksploatacinį charakteristiką, kuri pirmą kartą nustato, kad organinės grandinės gali būti tokios pat stabilios, kaip ir įtaisai, pagaminti naudojant įprastas neorganines technologijas", - sakė Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit profesorius, Gruzijos technikos mokyklos elektrotechnikos ir Kompiuterių inžinerija (ECE) ir "Georgia Tech" ekologinės fotonikos ir elektronikos centro (COPE) direktorius. "Tai galėtų būti ekologiškų plonasluoksnių tranzistorių perkėlimo taškas, sprendžiant ilgalaikius susirūpinimus dėl ekologiškų spausdintuvų prietaisų stabilumo."

Tyrimas buvo paskelbtas sausio 12 d. Žurnale " Science Advances". Tyrimas yra 15 metų COPE vystymosi kulminacija, kurią remia rėmėjai, įskaitant Naval Research Office, Oro pajėgų mokslinių tyrimų biurą ir Nacionalinę branduolinio saugumo administraciją.

Transistoriai susideda iš trijų elektrodų. Šaltinio ir nutekėjimo elektrodai praeina srovę, kad sukurtų "įjungimo" būseną, tačiau tik tada, kai įtampos elektrodas yra įjungiamas, o tai yra atskirta nuo organinės puslaidininkinės medžiagos plonu dielektriniu sluoksniu. "Georgia Tech" sukurtas unikalus architektūros aspektas yra tas, kad šis dielektrinis sluoksnis naudoja du komponentus: fluoropolimerą ir metalo oksido sluoksnį.

"Kai mes pirmą kartą sukūrėme šią architektūrą, šis metalo oksido sluoksnis buvo aliuminio oksidas, kuris gali būti pažeistas dėl drėgmės", - teigė Canekas Fuentesas-Hernandezas, vyresnysis mokslinis bendradarbis ir popieriaus bendraautorius. "Bendradarbiaujant su" Georgia Tech "profesoriumi Samueliu Grahamu, mes sukūrėme sudėtingas nanolaminato barjerus, kurie gali būti gaminami esant žemesnei kaip 110 laipsnių Celsijaus temperatūrai, o kai naudojamas kaip vartų dielektrikas, transistoriai leidžiami palaikyti, kad jie yra panardinami į vandenį netoli jo virimo taško."

Naujoji Georgia Tech architektūra naudoja aliuminio oksido ir hafnio oksido kintančius sluoksnius - penkis sluoksnius vieno, tada penkių kitų sluoksnių, kartojamų 30 kartų virš fluoropolimero, - dielektriku. Oksidiniai sluoksniai gaminami naudojant atominio sluoksnio nusodinimą (ALD). Nanolaminatas, kurio storis siekia apie 50 nanometrų, iš esmės yra apsaugotas nuo drėgmės poveikio.

"Nors mes žinojome, kad ši architektūra suteikė gerų barjerinių savybių, mes išvystyta, kaip stabiliai tranzistoriai eksploatuoja su nauja architektūra", - sakė Fuentes-Hernandez. "Šių tranzistorių veikimas praktiškai nepasikeitė net tada, kai juos eksploatavome šimtus valandų ir esant aukštai temperatūrai iki 75 laipsnių Celsijaus. Tai buvo pats stabiliausias organinės kilmės tranzistorius, kurį kada nors sukūrėme".

Laboratorinės demonstracijos metu mokslininkai naudojo stiklo substratą, tačiau taip pat galima naudoti daugybę kitų lanksčių medžiagų, įskaitant polimerus ir net popierių.

Laboratorijoje mokslininkai naudojo standartines ALD augimo technologijas nanolaminato gamybai. Tačiau naujesni procesai, vadinami erdvine ALD - naudojant daugybę galvų su antgaliais, kuriais tiekiami pirmtakai, gali pagreitinti gamybą ir leisti įrenginius išplėsti. "ALD dabar pasiekė brandos lygį, kai jis tapo masinamu pramonės procesu, ir mes manome, kad tai leis naują etapą plėtojant organinius plonasluoksnius tranzistorius", - sakė Kipelenas.

Akivaizdu, kad yra taikomi tranzistoriai, kurie kontroliuoja vaizdo ekranus organiniuose šviesos davikliuose (OLED), naudojamus tokiuose įrenginiuose kaip "iPhone X" ir "Samsung" telefonai. Šie pikseliai dabar valdomi tranzistoriais, pagamintiems naudojant įprastus neorganinius puslaidininkius, tačiau, papildomai užtikrinant naujojo nanolaminato stabilumą, jie gali būti pagaminti naudojant spausdintą organinį plonasluoksnį tranzistorą.

Įrangos internetas (IoT) prietaisai taip pat galėtų būti naudingi gamybai, kurią įgalino naujos technologijos, leidžianti gaminti rašalinius spausdintuvus ir kitus pigių spausdinimo bei dengimo procesus. Naudojant nanolaminato technologiją taip pat būtų galima kurti nebrangius popieriaus įrenginius, pvz., "Intelektualiuosius" bilietus, kurie naudotų pigių procesų popierių naudojant antenas, ekranus ir atmintis.

Tačiau labiausiai dramatiškos programos gali būti labai dideli lankstūs ekranai, kurie gali būti suvynioti, kai jie nenaudojami.

"Mes gausime geresnę vaizdo kokybę, didesnį formatą ir geresnę rezoliuciją", - sakė Kipelenas. "Kadangi šie ekranai tampa didesni, tradicinių ekranų standusis formos veiksnys bus apribojimas. Dėl mažos perdirbimo temperatūros anglies pagrindu sukurtos technologijos leis ekraną suvynioti, kad būtų lengviau nešiotis ir mažiau pažeidžiamos.

Kipeleno komanda, kuriai taip pat priklauso Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang ir Youngrak Park, demonstruoja savo modelį, kuris naudojo modelią organinį puslaidininkį. Medžiaga turi gerai žinomas savybes, tačiau vežėjų mobilumo vertės 1, 6 cm2 / Vs nėra sparčiausiai pasiekiamos. Kitas žingsnis - mokslininkai norėtų išbandyti savo procesą naujesniuose organiniuose puslaidininkiuose, kurie užtikrina didesnį įkrovimo judumą. Jie taip pat planuoja tęsti nanolaminato testavimą skirtingomis lenkimo sąlygomis per ilgesnį laiką ir kitose prietaisų platformose, pvz., Fotodetorei.

Nors anglies pagrindu veikianti elektronika išplečia savo prietaiso galimybes, tradicinės medžiagos, pvz., Silicis, neturi nieko bijoti.

"Kalbant apie didelius greičius, kristalinės medžiagos, tokios kaip silicis ar galio nitridas, tikrai turės ryškią ir labai ilgą ateitį", - sakė Kipelenas. "Tačiau daugeliui ateityje spausdintų programų naujausio organinio puslaidininkio su didesniu įkrovimo judesiu ir nanodizoliuoto dielektriko kombinacija bus labai galinga įrenginio technologija".

menu
menu