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近日，復(fù)旦大學(xué)的研究者揭示了導(dǎo)致有機(jī)薄膜晶體管性能變化的機(jī)制，為進(jìn)一步改良以有機(jī)薄膜晶體管為代表的柔性電子技術(shù)開拓了前景，從可穿戴設(shè)備到紙幣防偽，柔性電子技術(shù)將有望走進(jìn)我們d 生活。此論文發(fā)表于最近出版的《自然-通訊》雜志上。

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon E. Moore）提出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每兩年便會增加一倍。半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)以符合這種“摩爾定律”的趨勢發(fā)展了數(shù)十年。然而，根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖組織（ITRS）的評估，這種發(fā)展勢頭將會減慢。而另一方面，有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）作為印制電子關(guān)鍵技術(shù)，則在幾年間獲得了長足進(jìn)展。

有機(jī)薄膜晶體管研究可追溯到上世紀(jì)80年代。由于有機(jī)薄膜晶體管有良好的柔韌性，并具備厚度小、能彎曲等常規(guī)硅基微電子器件不易具備的特點(diǎn)，相關(guān)研究旋即受到廣泛關(guān)注。復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院仇志軍副教授與劉冉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，繼將有機(jī)薄膜晶體管的工作速度提升至可實(shí)用的量級后，又揭示了影響有機(jī)薄膜晶體管性能穩(wěn)定性的本質(zhì)機(jī)理。

目前有機(jī)薄膜晶體管的發(fā)展主要面臨兩大難題。“一個(gè)是遷移率的問題，有機(jī)薄膜晶體管導(dǎo)電能力差，因此應(yīng)用起來就比較困難。另外一個(gè)問題在于可靠性，有機(jī)薄膜晶體管在應(yīng)用時(shí)可能不穩(wěn)定。”劉冉在接受果殼網(wǎng)采訪時(shí)介紹道：“這些年在提高遷移率方面獲得不少進(jìn)展。近兩年我們開始研究第二個(gè)問題。”此前國際上對導(dǎo)致有機(jī)薄膜晶體管不穩(wěn)定性的原因眾說紛紜，而復(fù)旦大學(xué)的研究者提出了一個(gè)相對具有普適性機(jī)制模型：

空氣中的水氧分子與載流子相互作用示意圖。圖片來源：復(fù)旦大學(xué)

暴露在空氣中的有機(jī)薄膜晶體管會與空氣中的水和氧氣發(fā)生接觸。在正向電壓作用下，水分子和氧分子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在器件表面形成帶負(fù)電荷的氫氧根離子（OH﹣），這使得器件中帶正電荷的載流子（器件中可自由移動的、帶有電荷的物質(zhì)微粒）被氫氧根離子束縛，導(dǎo)致器件無法正常工作。而在施加反向電壓后，由于氫氧根離子發(fā)生逆向反應(yīng)，被束縛的載流子又重獲自由，在器件中正常流動。“晶體管有一個(gè)非常重要的功能，就是邏輯操作。原來晶體管是開著的，給它賦予的是1的狀態(tài)，但過一段時(shí)間突然從1這個(gè)狀態(tài)跳到0，這是我們所不希望的。” 仇志軍指出：“（載流子）一會兒被鎖住，一會兒又會被釋放出來，沒法控制，所以導(dǎo)致穩(wěn)定性比較差。”

這種描述水氧電化學(xué)反應(yīng)和有機(jī)薄膜載流子間相互作用的模型，很好地解釋了有機(jī)薄膜晶體管不穩(wěn)定性的發(fā)生機(jī)制。根據(jù)這個(gè)模型，研究人員可能利用在有機(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。

談及有機(jī)薄膜晶體管在未來的應(yīng)用，劉冉表示：“（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。”以有機(jī)薄膜晶體管為代表的柔性電子技術(shù)具有器件可伸展彎曲、加工設(shè)備相對簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在大面積的柔性顯示設(shè)備及低成本的智能電子標(biāo)簽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從可穿戴設(shè)備到紙幣防偽，柔性電子技術(shù)將有望走進(jìn)我們生活的方方面面。