[科普中國(guó)]-從可穿戴設(shè)備到紙幣防偽，這種技術(shù)將走進(jìn)我們生活的方方面面

復(fù)旦大學(xué)的研究者揭示了導(dǎo)致有機(jī)薄膜晶體管性能變化的機(jī)制，為進(jìn)一步改良以有機(jī)薄膜晶體管為代表的柔性電子技術(shù)開(kāi)拓了前景，從可穿戴設(shè)備到紙幣防偽，柔性電子技術(shù)將有望走進(jìn)我們生活。

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon E. Moore）提出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每?jī)赡瓯銜?huì)增加一倍。半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)以符合這種“摩爾定律”的趨勢(shì)發(fā)展了數(shù)十年。然而，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖組織（ITRS）的評(píng)估，這種發(fā)展勢(shì)頭將會(huì)減慢。而另一方面， 有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）作為印制電子關(guān)鍵技術(shù)，則在幾年間獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

有機(jī)薄膜晶體管研究可追溯到上世紀(jì)80年代。由于有機(jī)薄膜晶體管有良好的柔韌性，并具備厚度小、能彎曲等常規(guī)硅基微電子器件不易具備的特點(diǎn)，相關(guān)研究旋即受到廣泛關(guān)注。復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院仇志軍副教授與劉冉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，繼將有機(jī)薄膜晶體管的工作速度提升至可實(shí)用的量級(jí)后，又揭示了影響有機(jī)薄膜晶體管性能穩(wěn)定性的本質(zhì)機(jī)理。

目前有機(jī)薄膜晶體管的發(fā)展主要面臨兩大難題?！耙粋€(gè)是遷移率的問(wèn)題，有機(jī)薄膜晶體管導(dǎo)電能力差，因此應(yīng)用起來(lái)就比較困難。另外一個(gè)問(wèn)題在于可靠性，有機(jī)薄膜晶體管在應(yīng)用時(shí)可能不穩(wěn)定。”劉冉教授介紹道：“這些年在提高遷移率方面獲得不少進(jìn)展。近兩年我們開(kāi)始研究第二個(gè)問(wèn)題。”

此前國(guó)際上對(duì)導(dǎo)致有機(jī)薄膜晶體管不穩(wěn)定性的原因眾說(shuō)紛紜，而復(fù)旦大學(xué)的研究者提出了一個(gè)相對(duì)具有普適性機(jī)制模型：

有機(jī)薄膜晶體管不穩(wěn)定性機(jī)制模型。暴露在空氣中的有機(jī)薄膜晶體管會(huì)與空氣中的水和氧氣發(fā)生接觸。在正向電壓作用下，水分子和氧分子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在器件表面形成帶負(fù)電荷的氫氧根離子（OH﹣），這使得器件中帶正電荷的載流子（器件中可自由移動(dòng)的、帶有電荷的物質(zhì)微粒）被氫氧根離子束縛，導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。而在施加反向電壓后，由于氫氧根離子發(fā)生逆向反應(yīng)，被束縛的載流子又重獲自由，在器件中正常流動(dòng)?！? 晶體管有一個(gè)非常重要的功能，就是邏輯操作。 原來(lái)晶體管是開(kāi)著的，給它賦予的是1的狀態(tài)，但過(guò)一段時(shí)間突然從1這個(gè)狀態(tài)跳到0，這是我們所不希望的。” 仇志軍指出：“（載流子）一會(huì)兒被鎖住，一會(huì)兒又會(huì)被釋放出來(lái)，沒(méi)法控制，所以導(dǎo)致穩(wěn)定性比較差?！?/p>

這種描述水氧電化學(xué)反應(yīng)和有機(jī)薄膜載流子間相互作用的模型，很好地解釋了有機(jī)薄膜晶體管不穩(wěn)定性的發(fā)生機(jī)制。根據(jù)這個(gè)模型，研究人員可能利用在有機(jī)薄膜晶體管的表面加合適的保護(hù)層等手段克服當(dāng)前有機(jī)薄膜晶體管的不穩(wěn)定性。

談及有機(jī)薄膜晶體管在未來(lái)的應(yīng)用，劉冉表示：“有機(jī)薄膜晶體管并不能取代硅的集成電路，但能夠?qū)崿F(xiàn)一些新的應(yīng)用?！币杂袡C(jī)薄膜晶體管為代表的柔性電子技術(shù)具有器件可伸展彎曲、加工設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在大面積的柔性顯示設(shè)備及低成本的智能電子標(biāo)簽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

從可穿戴設(shè)備到紙幣防偽，柔性電子技術(shù)將有望走進(jìn)我們生活的方方面面。

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