Neuartiger miniaturisierter organischer Halbleiter wird flexible elektronische Geräte unterstützen

Feldeffekttransistoren (FET) sind die Kernbausteine ​​moderner Elektronik wie integrierte Schaltkreise, Computer-CPUs und Display-Backplanes. Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu ihren anorganischen Gegenstücken wie Silizium flexibel sind.

OFETs haben aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, mechanischen Flexibilität, Biokompatibilität, einstellbaren Eigenschaften und niedrigen Herstellungskosten ein großes Potenzial für neue Anwendungen wie tragbare Elektronik, konforme Sensoren zur Gesundheitsüberwachung und biegsame Displays. Stellen Sie sich Fernsehbildschirme vor, die aufgerollt werden können; oder intelligente tragbare elektronische Geräte und Kleidung, die nahe am Körper getragen werden, um lebenswichtige Körpersignale für sofortiges Biofeedback zu sammeln; oder Mini-Roboter aus harmlosen organischen Materialien, die im Körper für die Diagnose von Krankheiten, den gezielten Transport von Medikamenten, Mini-Operationen und andere medizinische Anwendungen arbeiten.

Bisher bestand die Hauptbeschränkung für eine verbesserte Leistung und Massenproduktion von OFETs in der Schwierigkeit, sie zu miniaturisieren. Produkte, die derzeit auf dem Markt erhältliche OFETs verwenden, sind in Bezug auf Produktflexibilität und Haltbarkeit begrenzt.

Ein Ingenieurteam unter der Leitung von Dr. Paddy Chan Kwok Leung an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Hongkong (HKU) hat einen wichtigen Durchbruch bei der Entwicklung eines organischen Monoschicht-Feldeffekttransistors mit gestaffelter Struktur erzielt, der die Reduzierung der Größe erheblich erleichtern wird OFETs.

Das Hauptproblem, mit dem Wissenschaftler bei der Verringerung der Größe von OFETs konfrontiert sind, besteht darin, dass die Leistung des Transistors mit einer Verringerung der Größe erheblich abnimmt. Dies ist teilweise auf das Problem des Kontaktwiderstands – des Widerstands an den Grenzflächen – zurückzuführen, der Stromflüssen widersteht. Wenn das Gerät kleiner wird, wird sein Kontaktwiderstand zu einem dominierenden Faktor, der die Leistung des Geräts erheblich herabsetzt.

Die Monolayer-OFETs mit gestaffelter Struktur weisen einen rekordniedrigen normalisierten Kontaktwiderstand von 40 Ω-cm im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen mit einem Kontaktwiderstand von 1000 Ω-cm auf. Das neue Gerät kann 96 % der Verlustleistung an der Schnittstelle einsparen und damit die im System erzeugte Wärme reduzieren, ein häufiges Problem, das zum Ausfall von Halbleitern führt. Dies wiederum wird es ermöglichen, die Abmessungen von OFETs auf den Submikrometerbereich zu reduzieren, ein Niveau, das mit ihren anorganischen Gegenstücken kompatibel ist, während sie dennoch effektiv funktionieren, um ihre einzigartigen organischen Eigenschaften zu zeigen. „Das ist entscheidend, um die Anforderungen für die Kommerzialisierung zu erfüllen“, sagte Dr. Chan.

Diese OFETs haben auch ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch sie schwache Signale erkennen können, die zuvor mit herkömmlichen blanken Elektroden zum Erfassen nicht erkannt werden konnten.

Flexible OFETs könnten herkömmliche starre Geräte wie Anzeigetafeln, Computer und Mobiltelefone transformieren und ihnen ermöglichen, flexibel und faltbar zu werden. Diese zukünftigen Geräte würden auch viel leichter sein und niedrige Produktionskosten haben.

„Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer organischen Natur wahrscheinlich biokompatibel für fortschrittliche medizinische Anwendungen wie Sensoren zur Verfolgung der Gehirnaktivität oder zur Erkennung neuraler Spikes sowie zur Präzisionsdiagnose von Erkrankungen des Gehirns wie Epilepsie.“ Dr. Chan fügte hinzu.

Das Team von Dr. Chan arbeitet derzeit mit Forschern der Medizinischen Fakultät der HKU und Experten für Biomedizintechnik an der CityU zusammen, um die miniaturisierten OFETs in einen flexiblen Schaltkreis auf einer Polymermikrosonde zu integrieren, um die neurale Spike-Erkennung in vivo auf einem Mausgehirn unter verschiedenen externen Stimulationen zu ermöglichen. Sie planen auch, die OFETs in chirurgische Instrumente wie Katheter zu integrieren, die in das Gehirn von Tieren eingeführt werden können, um die Gehirnaktivität direkt zu erfassen, um Anomalien zu lokalisieren.