Полупроводники – это очень важные электронные компоненты, которые изменили нашу жизнь с момента их первого появления в 1940-х годах. Как центральный элемент логических схемах для электроники и основа интегральных схем (чипов), они играют несравненную роль в содействии развитию компьютеров, серверов, смартфонов, мониторов, дисплеев, бытовой техники, устройств Интернета вещей и почти всех электронных или электрических систем. Последние десятилетия прошли под доминированием твёрдотельных транзисторов, обычно изготавливаемых из неорганических полупроводников, таких как кремниевые материалы и оксиды металлов, которые выгодны для достижения высокой мобильности, быстрой скорости переключения и превосходной стабильности. Таким образом, кремниевые и полевые транзисторы на основе полупроводниковых химических элементов широко используются во многих электронных устройствах. Однако эти транзисторы жёсткие и почти приближаются к фундаментальным ограничениям по скорости и энергопотреблению, несмотря на то, что производятся в гораздо меньшем форм-факторе, нежели раньше. Тут начинает действовать пресловутый закон Мура. Но, поскольку в будущем потребуются транзисторы с механической гибкостью/прочностью и низким энергопотреблением, крайне необходимы инновационные прорывные открытия в функциональных материалах, конфигурациях устройств и интегрированных методах обработки, которые облегчат переход от жёстких компонентов к «мягким», устойчивым, прочным и биосовместимым устройствам.
Мягкие транзисторы, как правило, изготавливаемые из органического мягкого вещества, наделённого гибкими, адаптивными, растяжимыми и прозрачными свойствами. Такие электронные компоненты уже появляются, как электронные устройства нового поколения. Органические полупроводниковые и диэлектрические материалы представляют большой интерес для использования во всех типах мягких транзисторов – люди научились извлекать выгоду из их молекулярной настраиваемости, присущей им гибкости и даже растяжимости, а также отличных электрических свойств. Более того, в отличие от традиционных материалов на основе кремния или оксидов металлов, органические материалы могут быть получены и модулированы с помощью недорогих методов обработки растворами – эти методы подходят, как для крупномасштабного производства, так и для воссоздания в условиях небольших лабораторий. В настоящее время комбинирование соответствующих органических (полупроводниковых и диэлектрических) материалов с подходящими механизмами работы устройств, используется для разработки маломощных мягких транзисторов, и их интеграции в существующие электронные системы.
Такой подход способен предоставить не только революционные решения для традиционных жёстких транзисторов, но и приведёт к революционным изменениям в проектировании и интеграции устройств в электронные приложения следующего поколения. Начнётся новая эра производства гибких датчиков, носимых электронных оболочек, биомедицинской электроники, искусственных синапсов, устройствах для нейроморфных вычислений и многом другом.
Органические мягкие транзисторы и работа с низким энергопотреблением.
Архитектура трёх-контактного устройства в основном используется для органических мягких транзисторов. Если описывать это вкратце, то слой канала органического полупроводника контактирует с электродами источника и истока, в то время как диэлектрический слой изолирует канал от электрода затвора на тонкой мягкой подложке. Когда между электродами источника и затвора устанавливается напряжение, установившееся электрическое поле может стимулировать накопление носителей заряда на границе раздела полупроводник/диэлектрик. Простая модуляция токов включения/ выключения путём настройки приложенных напряжений смещения позволяет органическим мягким транзисторам обеспечивать привлекательные характеристики при передаче сигнала, усилении и коммутации для перспективных электронных устройств.
Подвижность, отношение тока включения/выключения, пороговое напряжение, наклон подпороговой характеристики и рабочие напряжения являются важными параметрами для оценки производительности транзисторов. В частности, низкие рабочие напряжения имеют решающее значение для достижения маломощных мягких транзисторов и их интеграцию в устройства, для которых диэлектрический материал, несомненно, играет первостепенную роль. В настоящее время для достижения высокой ёмкости и, следовательно, маломощной работы мягких транзисторов используются три основных подхода к проектированию диэлектриков:
Во-первых, использование изоляционных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (κ) увеличивает способность диэлектрического слоя накапливать заряд. Как следствие, он усиливает электростатическое воздействие, оказываемое на канал мягких транзисторов, обеспечивая целевую модуляцию тока в работе при низком напряжении. Недавно учёные раскрыли уникальные свойства нитрил-бутадиенового каучука, который может похвастаться впечатляюще высоким значением (κ ∼28) благодаря поляризации нитрильных групп в его молекулярной структуре. Тем не менее, этот эффект поляризации вызвал энергетический беспорядок на границе раздела полупроводник/диэлектрик, что привело к снижению электрических характеристик. Далее, путём модификации такого диэлектрика с последовательным осаждением сверхтонкого неполярного слоя эластомера и гидрофобного монослоя, исключительная производительность в мягких транзисторах была достигнута при низком рабочем напряжении 3 Вольта. Примечательно, что как динамическое (1,7 пДж), так и статическое (0,25 пВт) рассеивание мощности для маломощных органических полевых транзисторов было снижено примерно в 100 раз по сравнению с существующими ныне.
Во-вторых, твердотельные полиэлектролиты как перспективные диэлектрики стали ещё одним жизнеспособным вариантом для маломощных электрических компонентов. Под действием напряжения на затворе ионы с противоположными зарядами в твердотельном полиэлектролитном диэлектрическом слое перемещаются в разных направлениях, в конечном итоге стабилизируясь на разных границах раздела, создавая двойной электрический слой. Это уникальное свойство придаёт ему замечательную диэлектрическую ёмкость в масштабе микрофарад (мкФ), превосходящую таковую у диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью. Таким образом, это значительно повышает способность к переносу носителей заряда, обеспечивая высокопроизводительные органические тонкоплёночные мягкие транзисторы с впечатляющим низковольтным режимом работы (менее 1 Вольта). Однако миграция ионов приводит к более сложному энергетическому нарушению на границе раздела фаз, что создаёт проблемы для обеспечения стабильной работы при сверхнизком энергопотреблении.
Наконец, были разработаны жидкие или гелевые электролитные материалы для дальнейшего повышения эффективности действия ионов в слое электролитного диэлектрика. Отклоняясь от механизмов двух вышеупомянутых подходов, эти материалы позволяют осуществлять объёмную инжекцию ионов в активный слой органических полупроводников при приложенном напряжении на затвор. Такая прямая интеграция ионов в канал увеличивает проводимость и значительно снижает рабочие напряжения для органических мягких транзисторов. Однако стоит отметить, что динамика миграции ионов и реакции может привести к замедлению времени отклика и увеличению эффектов гистерезиса в этом типе органических электрохимических мягких транзисторов.
Действительно, каждая из этих методологий демонстрирует уникальные преимущества, а также страдает от присущих ей недостатков в производстве маломощных устройств. Выбор оптимального подхода зависит от конкретных требований при сохранении тонкого равновесия между несколькими важными факторами, такими как диэлектрическая проницаемость, ёмкость, ток утечки, мобильность, рабочее напряжение, скорость переключения, гибкость устройства, стабильность и долговечность. Кроме того, выбор и настройка полупроводников также имеют решающее значение для высокопроизводительного целевого применения в электронной промышленности.
В области гибкой носимой электроники важно обеспечить исключительную устойчивость к нагрузкам и быстрый отклик мягких устройств. Следовательно, органические диэлектрические материалы с высокими параметрами и твердотельные полиэлектролиты становятся убедительной альтернативой обычным неорганическим диэлектрикам. Такие устройства не только соответствуют стандартам напряжения для безопасности человека, но и могут похвастаться энергоэффективными, экологически чистыми характеристиками. Использование их в качестве маломощной носимой сенсорной матрицы для мониторинга движений человека или их интеграция в качестве мягких сенсорных устройств в протезы, мягкую робототехнику и искусственную электронную кожу может позволить комплексное обнаружение различных физических или химических сигналов: прикосновение, давление, температуру, влажность, солёность, световое излучение и даже акустическое воздействие.
