Nanostruktuuriga väli dielektriline suurendab orgaaniliste õhukesekileistrite transistoride stabiilsust

Anonim

Nanostruktuuriga väravdiolektrik võib käsitleda kõige olulisemat takistust orgaaniliste pooljuhtide laiendamisel õhukesekile transistoridele. Fluoropolümeerkihist koosnev struktuur, millele järgneb nanolaminaat, mis on valmistatud kahest metalloksiidmaterjalist, toimib värava-dielektrina ja kaitseb samaaegselt orgaanilist pooljuhte - mis oli varem keskkonda kahjustatud - ja võimaldab transistoridel töötada enneolematult stabiilsus.

Uus struktuur annab õhukesekile transistoride stabiilsuse, mis on võrreldav anorgaaniliste materjalidega, võimaldades neil töötada ümbritseva keskkonna tingimustes - isegi vee all. Orgaanilised õhukesed kilega transistorid saab madalal temperatuuril hõredalt töödelda erinevatel painduvatel põhimõtetel, kasutades selliseid meetodeid nagu tindiprinterid, mis avavad potentsiaalselt uusi rakendusi, mis kasutavad lihtsaid, lisandina valmistamisprotsesse.

"Oleme nüüd tõendanud geomeetriat, mis annab eluaegse jõudluse, mis näitab esmakordselt, et orgaanilised ahelad võivad olla nii stabiilsed kui tavaliste anorgaaniliste tehnoloogiatega toodetud seadmed, " ütles Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit professor Georgia Techi Elektri- ja Arvutitehnika (ECE) ja orgaanilise fotoonika ja elektroonika keskuse (COPE) juhataja. "See võib olla orgaaniliste õhukesekileistrite transistoride kallutamine, lahendades pikaajalisi muret orgaaniliste printimise seadmete stabiilsuse pärast."

Uuringu teatas 12. jaanuaril ajakirjas Science Advances. Uuring on COPE-i 15-aastase arengu kulminatsioon ja seda toetasid sponsorid, sealhulgas Naval Research büroo, Air Force Office of Scientific Research ja National Nuclear Security Administration.

Transistorid koosnevad kolmest elektroodist. Lähte- ja äravoolu elektroodid läbivad voolu, et luua olek "sees", kuid ainult siis, kui pinge rakendatakse värava elektroodile, mis on orgaanilise pooljuhtmaterjalist eraldatud õhuke dielektriline kiht. Georgia Techi välja töötatud arhitektuuri unikaalne aspekt on see, et see dielektriline kiht kasutab kahte komponenti, fluoropolümeeri ja metalloksiidi kihti.

"Kui me selle arhitektuuri esmakordselt välja arendasime, oli see metalloksiidkiht alumiiniumoksiid, mis on vastuvõtlik niiskuse kahjustusele, " ütles Canek Fuentes-Hernandez, vanemteadur ja raamatu kaasautor. "Koostöös Georgia Tech professor Samuel Graham'iga töötati välja keerukad nanolaminaadist barjäärid, mida saaks toota temperatuuridel alla 110 ° C ja kui seda kasutatakse värava dielektriks, siis võimaldavad transistorid püsida vees keemispunkti lähedal."

Uus Georgia Techi arhitektuur kasutab dielektrilise valmistamiseks alumiiniumoksiidi ja hafniumi oksiidi vahelduvaid kihte - viis kihti ühte, seejärel viis kihti teist, korratakse 30 korda fluoropolümeerist kõrgemal. Oksiidikihte toodetakse aatomkihi sadestamisega (ALD). Nanolaaminaat, mille paksus on umbes 50 nanomeetrit, on peaaegu immuunne niiskuse mõjude suhtes.

"Kuigi me teadsime, et see arhitektuur andis hea barjääri omadused, purustas meid sellest, kui stabiilselt transistorid töötavad uue arhitektuuriga, " ütles Fuentes-Hernandez. "Nende transistoride jõudlus jäi peaaegu muutumatuks isegi siis, kui käisime neid sadu tunde ja kõrgendatud temperatuuril 75 ° C. See oli kindlasti kõige stabiilsem orgaanilistel alustel põhinev transistor, mida me kunagi valmistasime."

Laboratooriumi demonstreerimiseks kasutasid teadlased klaasist substraati, kuid samuti võisid kasutada ka teisi paindlikke materjale, sealhulgas polümeere ja isegi paberit.

Laboris kasutavad teadlased standardseid ALD kasvu meetodeid nanolaminaadi tootmiseks. Kuid uuemad protsessid, mida nimetatakse ruumilisteks ALD-deks, kasutades lähteaineid varustavate düüsidega mitu pead, võivad kiirendada tootmist ja võimaldavad seadmete suurust suurendada. "ALD on jõudnud küpsuse tasemele, mille jooksul see on muutunud tööstuslikuks protsessiks, ja me arvame, et see võimaldab uut faasi orgaaniliste õhukesekilega transistoride väljatöötamisel, " ütles Kippelen.

Tundmatu rakendus on selliste transistoride puhul, mis juhivad pikslit orgaaniliste valgust kiirgavate ekraanide (OLED), mida kasutatakse sellistes seadmetes nagu iPhone X ja Samsungi telefonid. Neid piksleid kontrollib praegu tavapäraste anorgaaniliste pooljuhtide abil valmistatud transistorid, kuid uue nanolaminaadiga kaasneva täiendava stabiilsusega võivad need asemel olla valmistatud prinditavate orgaaniliste õhukesekilega transistoridega.

Asjade Internet (IoT) seadmed võivad samuti tulla kasu uue tehnoloogia abil võimaldatavast valmistamisest, mis võimaldab tootmist tindiprinterite ja muude odava trükkimise ja katmise protsessidega. Nanolaminaattehnoloogia võib samuti võimaldada odavate paberil baseeruvate seadmete, näiteks arukate piletite väljatöötamist, mis kasutaksid paberit kasutades odavaid protsesse kasutades paberil valmistatud antenne, kuvareid ja mälu.

Kuid kõige dramaatilisemad rakendused võivad olla väga suured paindlikud ekraanid, mida saab kasutamata jätta rulli.

"Me saame parema pildikvaliteedi, suurema suuruse ja parema resolutsiooni, " ütles Kippelen. "Kuna need ekraanid muutuvad suuremaks, on tavapäraste kuvarite jäik vormimõõtja piirang. Madala töötlemistemperatuuriga süsinikupõhine tehnoloogia võimaldab ekraanil rullida, muutes selle hõlpsaks liikumiseks ja kahjustumiseks vähem vastuvõtlikuks.

Kipeleni meeskond, mille hulka kuuluvad ka Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang ja Youngrak Park, demonstreeris modelli orgaanilist pooljuhte. Materjalil on tuntud omadused, kuid kandevõime väärtused 1, 6 cm2 / Vs ei ole kõige kiirem kättesaadavad. Järgmise sammuna tahaksid teadlased katsetada oma protsessi uuemate orgaaniliste pooljuhtidega, mis tagavad suurema laengu liikumise. Nad kavatsevad ka jätkata nano-laamiinide testimist erinevates paindemistingimustes, pikemate ajavahemike jooksul ja teistes seadmete platvormides, nagu näiteks fotodetektorid.

Kuigi süsinikupõhine elektroonika laiendab nende seadmete võimekust, pole traditsiooniliste materjalide, nagu räni puhul midagi ette kuulda.

"Kui tegemist on suure kiirusega, on kristallilistel materjalidel nagu räni või galliumnitriid kindlasti särav ja väga pikk tulevik, " ütles Kippelen. "Kuid paljude tulevaste trükitud rakenduste puhul pakub uusim orgaaniline pooljuht koos kõrgema laenguga liikuvuse ja nanostruktuuriga väravafaktori dielektriga väga võimsa seadme tehnoloogiat."

menu
menu