2022-06-26
 
导电聚合物为下一代有机电子学带来希望
2022年06月26日   阅读量:497

几十年来,由硅基半导体制成的场效应晶体管推动了电子革命。但近年来,制造商在进一步缩小尺寸和提高效率方面遇到了严格的物理限制。这使得科学家和工程师们在寻找传统金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的替代品。

加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)工程教授维塞尔(Yon Visell)指出:“有机半导体与传统的硅基半导体器件相比,有几个明显的优势:它们由丰富的可用元素制成,如碳、氢和氮;它们具有机械灵活性和低制造成本;并且可以轻松地大规模制造。”,研究新材料的一组研究人员中的一员。

“也许更重要的是,聚合物本身可以使用多种化学方法来制作,从而赋予产生的半导体器件有趣的光学和电学特性。这些特性可以用比无机(如硅基)晶体管更多的方式来设计、调整或选择。”

维塞尔描述的设计灵活性体现在UCSB研究人员和其他人在《高级材料》杂志上报道的设备可重构性中。

可重构逻辑电路作为后CMOS电子器件的候选电路尤其令人感兴趣,因为它们可以简化电路设计,同时提高能源效率。最近开发的一类碳基晶体管(与硅基或氮化镓基晶体管相反),称为有机电化学晶体管(OECT),已被证明非常适合用于可重构电子设备。

在最近的论文中,化学教授ThucQuyen Nguyen和包括Visell在内的合著者描述了一种突破性的材料。他是UCSB聚合物和有机固体中心的负责人鈥攁 软性半导体碳基聚合物鈥攖与目前在传统硅晶体管中发现的无机半导体相比,hat具有独特的优势。

研究人员写道:“可重构有机逻辑器件是下一代高效计算系统和自适应电子器件的有希望的候选者。”。“理想情况下,此类设备应具有简单的结构和设计,[以及]节能,并与高通量微加工技术兼容。”

电导率共轭

共轭聚电解质(CPE-K)由一个中心共轭主链组成,主链上交替有单键和双键,多个带电荷的侧链上连接有离子。“在整个聚合物中具有共轭键使其具有导电性,因为离域电子在整个聚合物长度上具有高迁移率,”首席作者Tung Nguyen Dang解释道,他是Nguyen实验室的博士后研究员,也是Visell的联合顾问。“在这种分子设计中,你将聚合物和半导体这两种经典材料结合在一起。”

人工智能(AI)在开发这种材料方面发挥了作用。阮说:“你可以通过反复试验来制作材料。”。“你可以做一大堆,并希望得到最好的结果,也许二十个作品中就有一个作品或有有趣的特性;然而,我们与加州北岭大学的一位教授,Gang Lu合作,他利用人工智能选择构建块并进行计算,以获得如何进行的粗略想法,考虑到我们的能量水平和特性。”

确定可重构性

CPE-K的一个关键优点是,它能够实现可重构(“双模”)逻辑门,这意味着它们可以动态切换,以在耗尽模式或累积模式下运行,只需调整门上的电压即可。在耗尽模式下,在施加任何栅极电压(也称为导通状态)之前,流经漏极和源极之间活性材料的电流最初很高。当施加栅极电压时,电流下降,晶体管转到断开状态。累积模式则相反鈥攚在没有栅极电压的情况下,晶体管处于关闭位置,施加栅极电压会产生更高的电流,从而将器件切换到打开状态。

Nguyen说:“传统的电子逻辑门是计算机或智能手机中所有数字电路的组成部分,是只完成其设计用途的硬件。”。“例如,“与”门有两个输入和一个输出,如果应用到它的输入都是1,则输出将是1。类似地,或非门也有两个输入和一个输出,但如果应用到它的所有输入都是1,则输出将是0。电子门使用晶体管实现,并对其进行重新配置(例如从“与”门更改为“或非门”)需要侵入性修改,如拆卸,这通常太复杂而不实用。

“可重构门,就像我们展示的那样,可以作为两种类型的逻辑门,通过只改变门电压,从和切换到NOR,反之亦然,”她继续说道。“目前在电子技术中,功能是由结构来定义的,但在我们的设备中,你可以通过改变施加在设备上的电压来改变行为并使其成为其他东西。如果我们将这项发明从单个门扩展到由许多这样的可重配置门组成的更复杂的电路,我们可以设想一种功能强大的硬件,可以用更多功能进行编程与具有相同数量晶体管的传统晶体管相比。"

基于CPE-K的OECT的另一个优点是:它们可以在非常低的电压下工作,因此适合在个人电子产品中使用。这一点,再加上其灵活性和生物兼容性,使得该材料很可能成为植入生物传感器、可穿戴设备和神经形态计算系统的候选材料,在这些系统中,OECT可能充当人工突触或非易失性记忆。

Nguyen向英国剑桥大学的一位合作者解释道:“我们的同事正在制造能够监测癫痫发作前大脑中葡萄糖水平下降的设备。”。“检测后,另一个设备鈥攁 微流控器件鈥攚我会在当地给药,以阻止这一过程。"

Nguyen表示,由CPE-K制成的器件具有同时掺杂和反掺杂的特点,这取决于离子的类型。“你制作设备并将其放入液体电解质中鈥攕氯化钠[即食盐]溶解在水中,”她说然后,通过在栅极上施加正电压,可以驱动钠迁移到CPE-K活性层。或者,您可以改变栅极电压的极性,并驱动氯化物迁移到活性层。每种情况都会产生不同类型的离子注入,这些不同的离子使我们能够改变设备的操作模式。"

自掺杂还通过消除添加掺杂剂的额外步骤简化了制造过程。Nguyen说:“很多时候,当你添加一种掺杂剂时,它并没有均匀地分布在材料的整个体积中。”。“有机掺杂材料倾向于聚集在一起,而不是分散。但由于我们的材料不需要这一步骤,因此不会遇到掺杂剂分布不均匀的问题。您还可以避免优化掺杂剂和确定正确的混合和比例的整个过程,所有这些都会增加步骤并使处理复杂化。”

该团队还为该设备开发了一个物理模型,该模型解释了其工作机制,并正确预测了其在两种操作模式下的行为,从而证明该设备正在做它似乎正在做的事情。

维塞尔总结道:“这项引人注目的新晶体管技术完美地展示了令人惊讶的电子和计算功能,这些功能正通过化学、物理、材料和电气工程的融合研究得以实现。”

免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国塑料网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。
客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571