Стекирование превращает органические транзисторы в нечто большее

Органическая электроника, как следует из названия, неплохо взаимодействует с биологическим телом и мозгом. Согласно новому исследованию, ученые создали рекордные, высокопроизводительные органические электронные устройства, используя потенциально дешевый, простой и масштабируемый подход, который использует вертикальную архитектуру вместо плоской.

Современная электроника опирается на транзисторы, которые, по сути, представляют собой переключатели, которые включаются и выключаются для кодирования данных в виде единиц и нулей. Большинство транзисторов сделаны из неорганических полупроводников, но органическая электроника зависит от органических соединений. В то время как органические полевые транзисторы (OFET) имеют ионы, которые накапливаются только на поверхности органического материала , органические электрохимические транзисторы (OECT) основаны на ионах, втекающих и выходящих из органических полупроводников. Эта функция помогает сделать OECT эффективными коммутаторами и мощными усилителями.

«Наш вертикально расположенный электрохимический транзистор выводит производительность на совершенно новый уровень».
— Тобин Маркс, Северо-Западный университет

Органическая электроника имеет ряд преимуществ по сравнению со своими стандартными аналогами, таких как гибкость, малый вес и простота и дешевизна изготовления. Способ, которым OECT общаются — с использованием ионов, как и в биологии — может также открыть такие приложения, как биомедицинское зондирование, интерфейсы тела и машины и нейроморфные технологии , имитирующие мозг . Кроме того, предыдущие исследования показали, что OECT могут иметь исключительно низкое управляющее напряжение менее 1 вольта, низкое энергопотребление менее 1 микроватта и высокую крутизну — показатель того, насколько хорошо они могут усиливать сигналы — более 10 миллисименс.

Однако предыдущим исследованиям OECT мешали такие проблемы, как низкие скорости и плохая стабильность во время работы. До сих пор лучшие OECT могли достигать скорости переключения примерно 1 кГц и стабильности порядка 5000 циклов переключения. Кроме того, для изготовления этих устройств часто требовались сложные и дорогие технологии изготовления, а также длина канала — расстояние между электродами истока и стока — не менее 10 микрометров.

Теперь ученые разработали OECT со скоростью переключения более 1 кГц, стабильностью в течение более 50 000 циклов, длиной канала менее 100 нанометров, а также крутизной от 200 до 400 мСм — это самые высокие показатели, которые когда-либо наблюдались в OECT. Ключом к этому прогрессу является вертикальная архитектура, в которой эти устройства построены как бутерброды, вместо плоской архитектуры, характерной для большинства предыдущих OECT и обычных транзисторов (в которой они расположены как карты улиц).

«Наш вертикально расположенный электрохимический транзистор выводит производительность на совершенно новый уровень», — говорит старший автор исследования Тобин Маркс, химик-материаловед из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс.

OECT имеют три электрода: электрод истока и стока, соединенные тонкой пленкой или каналом из органического полупроводника, а также электрод затвора, соединенный с материалом электролита, покрывающим канал. Приложение напряжения к электроду затвора заставляет ионы электролита течь в канал, изменяя ток, проходящий между электродами истока и стока.

В новом исследовании исследователи поместили канал между двумя золотыми электродами — истоком внизу и стоком вверху, при этом ни один из электродов полностью не закрыл канал. Канал был изготовлен из полупроводникового ионопроницаемого соединения, смешанного с другим полимером, что позволило сделать канал конструктивно прочным и более стабильным в процессе эксплуатации. Электролит лежал поверх как канала, так и электрода стока.

Ученые отметили, что они могут изготовить эти вертикальные OECT простым и масштабируемым способом, используя стандартные технологии производства. По их словам, вертикальная архитектура также означает, что эти устройства можно размещать друг над другом для достижения высокой плотности схем. Ворота также можно легко модифицировать — скажем, с помощью биомолекул, предназначенных для фиксации на определенных молекулах, — чтобы они могли служить датчиком, говорит соавтор исследования Джонатан Ривней, материаловед и инженер-биомедик из Северо-Западного университета.

Кроме того, ученые могли бы сделать канал, используя либо полупроводник n — типа, который несет отрицательные заряды в виде электронов, либо полупроводник p — типа, который несет положительные заряды в виде дырок. Ранее было сложно построить высокопроизводительные OECT n -типа, которые имеют решающее значение для датчиков и логических схем. В новом исследовании вертикальные OECT n -типа исследовательской группы превзошли любые предыдущие OECT n- и p — типа при использовании в дополнительных логических схемах, которые используют OECT как n- , так и p -типа. (Эта работа также ознаменовала собой первые вертикально расположенные комплементарные логические схемы OECT.)

По словам Маркса, в настоящее время исследователи изучают, как изменить материалы и методы изготовления, используемые для изготовления вертикальных OECT, чтобы еще больше повысить их скорость и стабильность.

Ученые подробно описали свои выводы в выпуске журнала Nature от 19 января .

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com