研究人员开发新型微型单层有机半导体为开发柔性新电子产品奠定基础

场效应晶体管(Field-effect transistor, FET)是电子产品中用作控制电流的电子元件,用于集成电路、计算机的中央处理器、显示器驱动组件等,是不少现代电子产品的核心组件。而有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor, OFET)采用有机物料作为半导体给电流通道,与采用硅(Silicon)等物料的无机半导体相比,具备柔性的特质优势。

OFET具备高灵敏度、机械柔性、生物相容性,以及物质性质可调性等优点,制造成本也低,大大提升其应用于新产品的潜力,例如可穿戴电子设备、配合人体线条设计的健康监测仪,以及可卷曲屏幕等。试想像一下:日后的电视屏幕可以卷起来收藏,铺开来播放影像;可穿戴智能电子产品应用更广泛多元化;衣物穿在身上可实时收集各种生命征象数据,即时作出反馈,把不寻常情况通知使用者和医疗人员。在精准医疗应用上,利用无害有机材料制成的微型机器人可在人体内工作,协助诊断疾病、传送标靶药物、进行微创手术及其他医疗用途等。

然而,到目前为止,要缩小OFET的体积难度甚高,成为提升有关电子产品的性能表现上的主要障碍,限制了其更广泛商业化应用的前景。现时市场上有些使用OFET的电子设备,无论在柔性或耐用方面都不理想,技术上仍处于早期阶段。

由香港大学机械工程系副教授陈国梁博士带领的工程团队,近日成功研发崭新的单层有机半导体晶体管(staggered structure monolayer OFETs),为未来缩小OFET体积的技术发展,奠定新基石。

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研究人员开发新型微型单层有机半导体为开发柔性新电子产品奠定基础
研究人员开发新型微型单层有机半导体为开发柔性新电子产品奠定基础
研究人员开发新型微型单层有机半导体为开发柔性新电子产品奠定基础
研究人员开发新型微型单层有机半导体为开发柔性新电子产品奠定基础

这项重要的科研成果,已于在学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)发表,团队已就成果申请美国专利。

现在科学家面临的主要难题,是一旦缩小OFET的单位面积,其性能表现便相应大幅下降,部分原因是由于接触电阻的问题,接触电阻是指接触面间产生的电流流动阻力。当OFET的体积越小,接触电阻便成为降低其性能的主导因素,影响电器产品的表现。

陈博士团队成功研发的交错结构单层OFET,能达至创纪录的40Ω-cm低接触电阻,与现时一般接触电阻达1000 Ω-cm的传统OFET相比,在相同的电流水平运行时,新OFET可降低接触面的耗散功率达96%。更为重要的是,除节省能源外,新OFET大幅降低了系统所产生的废热,能解决目前借缩小半导体以提升电子设备性能而不增加其体积,系统过热这牵制半导体发展的关键老问题。

陈博士说:「以这研究为基础,我们日后有望把OFET的体积缩小至亚微米水平,拉近与无机FET的距离,而同时能发挥其有机特性的优势,这也是未来将相关研发成果商品化的关键所在。」

「如果高柔性的OFET最后取得成功,很多传统刚性电子设备,例如显示器、电脑和手机,日后将出现革命性的发展,它们可以轻易改变形状,卷曲折叠等,重量更轻,生产成本也低。 」

「此外,OFET有机特质具备的生物相容性,有利先进医疗设备的研究发展,应用于人体内,用于追踪大脑或神经元活动的感应器,以及作精准诊断如癫痫病等大脑相关疾病的前沿范畴。」陈博士补充说。

陈博士的团队目前正与港大医学院的研究人员及香港城市大学的生物工程学者合作,将微型OFET整合至具柔性的电路中,并连接至聚合物微探针,再植入老鼠的脑部,以检测其在各种外界刺激下的神经元活动。他们亦计划将OFET与手术工具(例如导管)结合,再植入动物的脑部,直接感测其脑部活动,从而找出活动异常的准确位置。

「我们研发的OFET在神经元活动的信号侦测上有很好的讯噪比(讯号杂讯比),有机会捕捉到一些以往利用传统电极侦测不到的微弱信号,带来突破发展。 」陈博士解释说。

陈博士总结:「我们的最终目标是将应用研究与基础科学结合起来,期望研究成果能广泛拓展OFET的研究与应用范围。我们相信,按目前OFET技术的发展步伐,在大型显示底板和手术工具等方面的应用上,已作好准备。」

按此浏览陈国梁博士团队在学术期刊《先进材料》发表《用于欧姆接触电阻,高本质增益和高电流密度的结晶单层半导体》论文摘要。

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