可像紙一樣隨意卷起放入口袋的手機(jī)、可任意彎曲折疊的電視、可顯示新聞股市和天氣預(yù)報的車窗……這些聽起來就會讓人興奮不已的高科技產(chǎn)品或?qū)⒑芸斐蔀楝F(xiàn)實。
近日，復(fù)旦大學(xué)研究者首次揭示了影響有機(jī)薄膜晶體管性能穩(wěn)定性的作用機(jī)制，這一成果突破了該技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸，有望加速柔性電子技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。其相關(guān)論文發(fā)表于最近出版的國際權(quán)威性學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》雜志上——
可“印刷”在任意材料表面
有機(jī)薄膜晶體管（OTFT，organic thin film transistor）是以有機(jī)半導(dǎo)體材料為有源層的場效應(yīng)晶體管器件。“它是柔性電子技術(shù)的核心，基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是它采用有機(jī)材料作為工作物質(zhì)。”復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授仇志軍說，科學(xué)界對有機(jī)薄膜晶體管的研究可追溯到上世紀(jì)80年代。
科學(xué)家的興趣源自有機(jī)薄膜晶體管無可比擬的優(yōu)勢。仇志軍介紹，無機(jī)薄膜晶體管只能以平面方式顯示，無法做到很有彈性的彎曲顯示，而有機(jī)薄膜晶體管因為使用有機(jī)材料，則可任意彎曲與伸展，由此真正解放了柔性襯底的柔性，可誕生眾多新型應(yīng)用領(lǐng)域。比如，可被制作于軟性基板上，成為可彎曲的顯示器。
不僅如此，與無機(jī)薄膜晶體管相比，有機(jī)薄膜晶體管加工設(shè)備簡單，前期投入成本低；加工過程屬于低溫工藝，一般在180℃以下，工藝簡單，不會對環(huán)境造成污染；更重要的是，它質(zhì)輕、膜薄，具有良好的柔韌性，可以大面積“印刷”在任意材料表面，達(dá)到大幅降低生產(chǎn)成本的目的。
與此同時，嚴(yán)峻的現(xiàn)實挑戰(zhàn)也讓業(yè)界和科學(xué)界賦予有機(jī)薄膜晶體管更多的熱情。隨著半導(dǎo)體器件尺寸走向量子極限，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖組織評估，硅集成電路技術(shù)在未來10至15年可能走到盡頭。“作為新一代柔性顯示的核心技術(shù)，有機(jī)薄膜晶體管被視為傳統(tǒng)硅集成電路的替代品。”復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授劉冉說，所謂柔性，即可彎曲、折疊甚至拉伸。
此外，蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)也讓有機(jī)薄膜晶體管的研究更加炙手可熱。有關(guān)專家預(yù)測，2015年我國物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模有望超過10000億元，到2020年將超過50000億元。
“搭建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是數(shù)以億計的信息傳感設(shè)備，由于特有的彎曲性和可延展性，有機(jī)薄膜晶體管成為連接‘物’與‘云’的關(guān)鍵技術(shù)。”仇志軍進(jìn)一步解釋說，要將物與物聯(lián)系在一起，必須通過功能各異的傳感器感知并傳遞周圍環(huán)境信息，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟也對傳感器提出了新的要求，低成本、低功耗、可印刷的柔性薄膜傳感器的市場需求將在未來10年急劇增加。
“海綿效應(yīng)”突破應(yīng)用障礙
盡管有機(jī)薄膜晶體管看起來“很美”，遺憾的是，各國科學(xué)家雖然在有機(jī)薄膜晶體管的材料、器件、系統(tǒng)集成以及制備工藝方面取得了一定進(jìn)展，但仍面臨諸多困難。
劉冉告訴記者，與成熟的無機(jī)薄膜晶體管相比，有機(jī)薄膜晶體管的大規(guī)模應(yīng)用主要存在兩大障礙，一是材料遷移率低下、導(dǎo)電能力差，因此應(yīng)用起來比較困難；二是可靠性差、壽命短，在應(yīng)用時可能不穩(wěn)定。
挑戰(zhàn)并未放慢研究人員追尋有機(jī)薄膜晶體管的腳步。2008年，從事有機(jī)半導(dǎo)體材料研究的仇志軍與劉冉?jīng)Q定聯(lián)合瑞典烏普薩拉大學(xué)和瑞典皇家理工學(xué)院對有機(jī)薄膜晶體管展開“攻勢”。他們發(fā)現(xiàn)，如果對這些有機(jī)材料進(jìn)行某種程度的修飾，比如，采用碳納米管摻雜的有機(jī)半導(dǎo)體材料，就可顯著改善有機(jī)薄膜晶體管的電學(xué)性能。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過5年反復(fù)試驗，他們成功將有機(jī)薄膜遷移率增加了4個數(shù)量級，接近多晶硅的水平，達(dá)到了可實用的量級。
不久，美國科學(xué)家也宣布制造出目前世界上運行最快的有機(jī)薄膜晶體管，證明了該技術(shù)在制造透明電子設(shè)備上的巨大潛力。
但如何提高有機(jī)薄膜晶體管的性能穩(wěn)定性仍一直困擾著眾多研究團(tuán)隊，這很大程度上決定了其大規(guī)模應(yīng)用能否順利實現(xiàn)。“不過，在此之前先需知道影響其穩(wěn)定性的內(nèi)在機(jī)理，國際學(xué)界對有機(jī)薄膜晶體管性能不穩(wěn)定的成因和來源莫衷一是。”仇志軍說，一般認(rèn)為，外界環(huán)境，如水、氧以及光照和溫度等都對有機(jī)薄膜晶體管的穩(wěn)定性有著重要影響，導(dǎo)致器件性能發(fā)生變化。
復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊通過反復(fù)研究、論證，他們發(fā)現(xiàn)影響有機(jī)薄膜晶體管穩(wěn)定性的來源存在共性，即空氣中大量存在的水分子和氧氣分子。“大氣環(huán)境下，這兩種分子會與有機(jī)薄膜晶體管發(fā)生直接接觸，產(chǎn)生水氧電化學(xué)反應(yīng)，阻礙器件正常工作。”仇志軍進(jìn)一步解釋說。
據(jù)此，他們進(jìn)一步提出水氧電化學(xué)反應(yīng)與有機(jī)薄膜載流子相互作用模型，即“海綿效應(yīng)”模型。實驗證實，該模型為統(tǒng)一理論模型，不但可以解釋低導(dǎo)電特性的有機(jī)薄膜晶體管，還可以解釋類似碳納米管和石墨烯之類具有高導(dǎo)電特性的薄膜器件。
“根據(jù)這個模型，研究人員可利用在有機(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。這為將來大規(guī)模應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。”專家們表示。
彎曲手機(jī)折疊電視或成真
不久的未來，你的家中或許不再需要一盞燈，取而代之的是一面會發(fā)光的墻；家中的電視不僅越來越超薄，還可隨意折疊……暢想有機(jī)薄膜晶體管的未來，劉冉信心滿滿：“雖然有機(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。”
比如，可以用于提高紙幣防偽功能。有機(jī)薄膜晶體管做成后，可以鑲嵌到紙幣中，對紙幣進(jìn)行類似于IC卡或身份證的編碼，防偽效果會非常好，如果晶體管內(nèi)加入一些電路信號，還可以知道紙幣如何流通。
再如，加速可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。“目前已經(jīng)問世的可穿戴設(shè)備，采用的是比較硬的MOS晶體管，大都只能做到部分彎曲，很難做到可以隨意折疊、拉伸。”仇志軍認(rèn)為，真正意義上的柔性電子技術(shù)能夠做到任意彎曲，今后隨著有機(jī)薄膜晶體管性能穩(wěn)定性的提高，有望制造出更加柔軟的電子設(shè)備，屆時可穿戴設(shè)備或?qū)⒄嬲哌M(jìn)我們的生活。
“可以預(yù)見，隨著有機(jī)薄膜晶體管運行速度的不斷提高，未來在那些對芯片本身性能要求不高，但能大面積靈活運動的領(lǐng)域，如平板顯示和驅(qū)動、醫(yī)學(xué)成像、智能包裝、大面積傳感器及照明等方面，有機(jī)薄膜晶體管有著廣泛的應(yīng)用前景。”劉冉表示。
“或許再等30多年，這些看起來遙不可及的幻想或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實。”仇志軍坦陳，有機(jī)薄膜晶體管目前仍處于實驗室階段，走向大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，還有很長距離。
“作為一項前沿技術(shù)，我國在有機(jī)薄膜晶體管研究方面取得一定進(jìn)展，但與國外仍有一定差距。”在仇志軍看來，鑒于目前世界上還沒有任何一個國家或地區(qū)，在有機(jī)薄膜晶體管的研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢。因此，只要我國重視并增加研發(fā)投入，相信可以在材料、器件以及系統(tǒng)集成方面搶占先機(jī)，使其成為一個高技術(shù)、引領(lǐng)性的產(chǎn)業(yè)。
