Миниатюризированные органические полупроводники открывают путь к гибкой электронике нового поколения

Полевые транзисторы (FET) являются основными строительными блоками современной электроники, такой как интегральные схемы, процессоры компьютеров и подсветка дисплеев. Органические полевые транзисторы (OFET) имеют преимущество гибкости по сравнению с их неорганическими аналогами, например, кремнием.

Перспективы применения OFET

Благодаря высокой чувствительности, механической гибкости, биосовместимости, настраиваемым свойствам и низкой стоимости производства, OFET имеют большой потенциал в новых приложениях: носимая электроника, конформные датчики мониторинга здоровья, гибкие дисплеи. Представьте экраны телевизоров, которые можно намотать в рулон; умные носимые электронные устройства и одежду, прилегающую к телу для сбора жизненно важных сигналов и мгновенного биофидбэка; микророботов из безвредных органических материалов, работающих внутри тела для диагностики заболеваний, доставки лекарств, микроопераций и других медицинских применений.

Проблема миниатюризации

До сих пор основным ограничением для повышения производительности и массового производства OFET была сложность их миниатюризации. Продукты с OFET, доступные на рынке, ограничены по гибкости и долговечности.

Инженерная команда под руководством доктора Пэдди Чана Квок Лянга из Департамента механической инженерии Гонконгского университета (HKU) совершила важный прорыв, разработав стаггерную структуру монослойного органического полевого транзистора, что значительно облегчит уменьшение размеров OFET.

Главная проблема, с которой сталкивались ученые при уменьшении размеров OFET — значительное падение производительности транзистора. Это جزئенно связано с проблемой контактного сопротивления — сопротивления на границах раздела, которое препятствует текучести тока. Когда устройство становится меньше, его контактное сопротивление становится доминирующим фактором, серьезно ухудшающим характеристики прибора.

Результаты прорыва

Стаггерные монослойные OFET демонстрируют рекордное низкое нормализованное контактное сопротивление 40 Ом·см по сравнению с 1000 Ом·см у традиционных устройств. Новый прибор экономит 96% рассеиваемой на границе мощности, тем самым уменьшая выделяемое тепло — распространенную проблему, вызывающую отказы полупроводников. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры OFET до субмикрометрового масштаба, совместимого с неорганическими аналогами, сохраняя при этом их уникальные органические свойства. «Это критически важно для выполнения требований коммерциализации», — сказал доктор Чан.

Эти OFET также обладают улучшенным соотношением сигнал/шум, что позволяет им обнаруживать слабые сигналы, которые ранее было невозможно зафиксировать с помощью обычных голых электродов для сенсорики.

Будущие применения

Гибкие OFET могут трансформировать традиционные жесткие устройства — панели дисплеев, компьютеры, мобильные телефоны — делая их гибкими и складными. Будущие устройства также будут значительно легче и дешевле в производстве.

«Кроме того, учитывая их органическую природу, они, вероятно, биосовместимы для передовых медицинских применений, таких как датчики для отслеживания мозговой активности или регистрации нейронных импульсов, и в точной диагностике мозговых заболеваний, например, эпилепсии», — добавил доктор Чан.

Команда доктора Чана сейчас сотрудничает с исследователями Медицинского факультета HKU и экспертами по биомедицинской инженерии CityU для интеграции миниатюризированных OFET в гибкую цепь на полимерном микрозонде для детекции нейронных спайков in vivo в мозге мыши под различными внешними стимулами. Также планируется интеграция OFET в хирургические инструменты, такие как катетеры, которые можно вводить в мозг животных для прямого 감지рования мозговой активности для локализации аномалий.