Новый миниатюрный органический полупроводник будет поддерживать гибкие электронные устройства

Полевые транзисторы (FET) являются основными строительными блоками современной электроники, такой как интегральные схемы, компьютерные процессоры и объединительные панели дисплеев. Преимущество органических полевых транзисторов (OFET) в том, что они гибкие по сравнению с их неорганическими аналогами, такими как кремний.

OFET, учитывая их высокую чувствительность, механическую гибкость, биосовместимость, настраиваемость свойств и низкую стоимость изготовления, имеют большой потенциал в новых приложениях, таких как носимая электроника, конформные датчики для мониторинга состояния здоровья и гибкие дисплеи. Представьте себе экраны телевизоров, которые можно свернуть; или умные носимые электронные устройства и одежда, которые носят близко к телу, чтобы собирать жизненно важные сигналы тела для мгновенной биологической обратной связи; или мини-роботов из безвредных органических материалов, работающих внутри тела для диагностики заболеваний, адресной транспортировки лекарств, мини-операций и других медицинских приложений.

До сих пор основным ограничением повышения производительности и массового производства OFET была сложность их миниатюризации. Продукты, использующие OFET в настоящее время на рынке, ограничены с точки зрения гибкости и долговечности продукта.

Группа инженеров под руководством доктора Падди Чан Квок Леунга с факультета машиностроения Гонконгского университета (HKU) совершила важный прорыв в разработке однослойного органического полевого транзистора со ступенчатой ​​структурой, который значительно облегчит уменьшение размера OFET.

Основная проблема, с которой столкнулись ученые при уменьшении размера OFET, заключается в том, что производительность транзистора значительно падает с уменьшением размера. Частично это связано с проблемой контактного сопротивления — сопротивления на интерфейсах, — которое сопротивляется протеканию тока. Когда устройство становится меньше, его контактное сопротивление становится доминирующим фактором, значительно снижающим производительность устройства.

Монослойные OFET со шахматной структурой демонстрируют рекордно низкое нормализованное контактное сопротивление 40 Ом-см по сравнению с обычными устройствами, имеющими контактное сопротивление 1000 Ом-см. Новое устройство может сэкономить 96 % рассеиваемой мощности на интерфейсе, тем самым уменьшая выделение тепла в системе — распространенную проблему, которая приводит к выходу из строя полупроводников. Это, в свою очередь, позволит уменьшить размеры OFET до субмикрометрового масштаба, уровня, совместимого с их неорганическими аналогами, и в то же время эффективно функционировать, демонстрируя их уникальные органические свойства. "Это очень важно для соответствия требованиям коммерциализации", – сказал д-р Чен.

Эти OFET также имеют улучшенное отношение сигнал/шум, что позволит им обнаруживать слабые сигналы, которые ранее не могли быть обнаружены с использованием обычных оголенных электродов для обнаружения.

Гибкие OFET могут преобразовать традиционные жесткие устройства, такие как панели дисплея, компьютеры и сотовые телефоны, сделав их гибкими и складными. Эти будущие устройства также будут намного легче по весу и будут иметь низкую себестоимость производства.

«Более того, учитывая их органическую природу, они, вероятно, будут биосовместимы для передовых медицинских приложений, таких как датчики для отслеживания активности мозга или нейронных импульсов, а также для точной диагностики заболеваний, связанных с мозгом, таких как эпилепсия». — добавил доктор Чан.

Команда доктора Чана в настоящее время работает с исследователями на медицинском факультете Гонконгского университета и экспертами по биомедицинской инженерии в CityU, чтобы интегрировать миниатюрные OFET в гибкую схему на полимерном микрозонде для обнаружения нейронных спайков in vivo в мозге мыши при различных внешних раздражителях. Они также планируют интегрировать OFET в хирургические инструменты, такие как катетеры, которые можно вставлять в мозг животных для непосредственного определения мозговой активности и обнаружения аномалий.