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美国佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心（COPE）研究团队开发出一种新型纳米结构有机薄膜晶体管，这项研究是COPE中心15年来的发展结晶，新成果于1月12日在“科学进展”（Science Advances）杂志上发表。 新的纳米结构栅极电介质可能已经解决了扩大有机半导体用于薄膜晶体管的最重要的障碍，该结构由一种氟聚合物层和由两种金属氧化物材料制成的纳米层压薄片（nanolaminate）组成，用作栅极电介质，并保护有机半导体，此前，有机半导体很容易受到周围环境的破坏，而新结构使晶体管具有前所未有的稳定性。 图为美国佐治亚理工学院高级研究科学家Canek Fuentes-Hernandez（左）和COPE中心主任Bernard Kippelen教授（右）检查具有新型纳米结构栅极电介质的有机薄膜晶体管的样品，新型结构为晶体管带来了前所未有的稳定性 该研究由美国海军研究办公室、空军科学研究办公室和国家核安全局共同资助。 新的结构使薄膜晶体管的稳定性与无机材料相媲美，使其能够在周围环境条件甚至在水下工作。在低温条件下，有机薄膜晶体管可以使用诸如喷墨印刷的技术在各种柔性衬底上低成本地制造，潜在地开启了利用简单的、加成制造工艺的新应用。 Bernard Kippelen教授表示，现在他们已经证明了一种首次建立的能够获得寿命性能的几何结构，使得有机电路可以与传统的无机技术生产的器件一样稳定。这可能是有机薄膜晶体管的引爆点，解决了长期以来人们对有机印刷器件稳定性的担忧。 晶体管包括三个电极，只有当电压施加到栅极时，源极和漏极之间才通过电流形成“导通”状态，栅极通过一层薄介电层与有机半导体材料分开。佐治亚理工学院开发的一个独特的结构是该介电层由两部分组成，即含氟聚合物层和金属氧化物层。 Canek Fuentes-Hernandez表示，当他们第一次开发该结构时，金属氧化物层用的是氧化铝，但这种结构容易受到湿度影响，与Samuel Graham教授合作后，他们开发了复杂的纳米层压薄片结构，可以在低于110℃的温度条件下生产，当该结构用作栅极电介质时，能够使晶体管在浸入接近沸点的水中依然正常工作。 乔治亚理工学院开发的新的纳米结构采用了氧化铝和氧化铪的交替层，一种材料生长五层，然后另一种材料再生长五层，在含氟聚合物层上重复进行30次，制成电介质，氧化层是用原子层沉积（ALD）方法制造。最终形成的纳米层压薄片结构厚度大约为50纳米，几乎不受湿度的影响。 Canek Fuentes-Hernandez表示，虽然他们知道这种新结构产生了良好的势垒性能，但他们更被这种新结构晶体管工作的稳定性所震撼，这些晶体管工作数百小时后和在75℃的高温下工作，其性能几乎保持不变，这也是他们迄今为止制造的最稳定的有机晶体管。 为了进行实验室演示，研究人员使用了一种玻璃衬底，但也可以使用许多其他柔性材料作为衬底，包括聚合物甚至纸张。 在实验室里，研究人员使用标准的ALD生长技术来生产纳米层压薄片结构，但是更新的工艺称为空间ALD（利用多头喷嘴提供前体），可以加速生产并允许器件的尺寸扩大。Bernard Kippelen教授表示，ALD现在已经达到成熟的程度，成为一个规模化工业生产方法，他们认为这将有助于有机薄膜晶体管发展迈向新的阶段。 一个明显的应用领域是手机有机发光显示器（OLED）控制像素的晶体管，如苹果手机iPhone X和三星手机等设备，这些像素现在由采用传统的无机半导体制造的晶体管进行控制，但是由于新的纳米层压薄片结构提供了更高的稳定性，所以它们或许可以用可印刷的有机薄膜晶体管来代替。 物联网（IoT）器件也可以受益于新技术的制造，允许使用喷墨打印机和其他低成本印刷和涂层工艺进行生产。纳米层压薄片结构技术也可以允许开发廉价的纸质衬底器件。 但是最引人注目的应用可能是非常大型的柔性显示器，可以在不使用时卷起来。Bernard Kippelen教授表示，未来显示器将获得更好的图像质量、更大的尺寸和更好的分辨率，随着屏幕尺寸变大，传统显示器的刚性外形将成为一个限制，而低加工温度碳基技术将使屏幕卷起来，便于携带，不易受损。 研究人员下一步想要测试他们的新型有机半导体工艺，以提供更高的电荷迁移率，还计划在不同的弯曲条件下，更长的时间内，以及在光电探测器等其他器件平台上继续测试新的纳米层压薄片结构。 Bernard Kippelen教授表示，当涉及高速时，像硅或氮化镓这样的晶体材料肯定会有一个光明而又长久的未来。但是对于许多未来的印刷应用，将最新的有机半导体技术与更高的电荷迁移率结合，纳米结构的栅极电介质将提供非常强大的器件技术。 Xiaojia Jia, Canek Fuentes-Hernandez, Cheng-Yin Wang, Youngrak Park,Bernard Kippelen. Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 2018 DOI: 10.1126/sciadv.aao1705
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