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柔性电子技术获突破

 

复旦大学学者揭示有机薄膜晶体管稳定性机理,弯曲手机、折叠电视或将很快成真。

左为传统硅芯片,右为柔性电子芯片(图片提供:复旦大学仇志军)

透明手机、折叠电视、防伪纸币、可显示新闻的车窗等一系列高科技产品,无不令人惊叹、向往。这些高科技产品的实现,都要依赖于柔性大面积电子技术。因此,其中最核心的硬件——大面积柔性有机薄膜晶体管(organic thin-film transistors,OTFT),受到了科研人员越来越多的关注。

OTFT具有可弯曲、伸展和折叠的特性,易于大面积印刷加工,生产成本低廉且无污染,因此应用前景非常广泛。然而,OTFT器件的性能不够稳定,国际学术界对其性能不稳定的成因和来源莫衷一是,这阻碍了OTFT器件走向商业化应用的进程。

复旦大学仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队最近取得的进展,或许会改变这个局面。他们在揭示OTFT性能稳定性机制上取得突破性进展,找到了导致OTFT性能发生变化的内在机理,提出了水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型,获得了广泛认可。

仇志军副教授介绍说,OTFT是通过带正电荷的导电载流子(可以自由移动的带有电荷的物质微粒)来导电,当空气中大量存在的水分子和氧气分子与OTFT发生直接接触的时候,在其表面会发生可逆的电化学反应。在正向电压作用下,水分子和氧气分子产生正向电化学反应,器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子。由于正负电荷相互吸引,使得OTFT中带正电荷的导电载流子被氢氧根离子牢牢“锁住”,缺少载流子的OTFT无法导通,也便无法正常工作。

然而在施加反向电压后,氢氧根离子发生逆向电化学反应,水分子和氧气分子被重新释放出来,之前被牢牢“锁住”的载流子便能在器件中自由“流动”,OTFT再次导通。

对于这种反应机理,科学家有一个生动的比喻——海绵模型:整个过程犹如向一条不断流动的小溪中投掷大量海绵,海绵吸水时,小溪近乎干涸而无水流动;海绵受到挤压时,水分会流出,小溪再次流动。小溪形容的是OTFT器件,海绵指代水分子和氧气分子,吸收和挤压是施加正、反向电压的过程,而水分就是载流子。如果器件内的电流状态不断发生变化,其逻辑操作就会发生“漂移”,导致电路工作紊乱失效。

实验结果表明,该模型为统一理论模型,不但适用于低导电特性的OTFT器件,还适用于类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件,为OTFT的大规模应用提供了理论依据。

由于柔性电子技术良好的集成性和结合性,可广泛应用于那些对芯片本身性能要求不高、但能大面积灵活运用的领域,如智能包装、可穿戴设备、医学成像、纸币防伪、大面积传感器以及照明等。因此柔性电子技术成为促成物联网真正普及和大规模应用的“最核心”技术。复旦大学科研团队的研究成果扫清了大规模应用中的障碍,为物联网普及和大规模应用做出了技术开发和储备。

(本刊记者 郗泽潇)

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2014年第3期

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