Een internationaal onderzoeksteam is erin geslaagd om op een polymeerfilm 's werelds eerste flexibele organische transistor te vervaardigen die robuust genoeg is onder een medisch sterilisatieproces bij hoge temperatuur. Het onderzoek wordt online gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 6 maart, 2012.

In een ernstig vergrijzende samenleving met een dalend geboortecijfer, elektronica wordt steeds belangrijker in de gezondheids- en medische sector naarmate er meer IT-apparaten worden geïntroduceerd. Tegen deze achtergrond, een verwachting wordt steeds hoger op een organische transistor, dat is een zachte elektronische schakelaar. Een flexibele organische transistor kan eenvoudig worden vervaardigd op een biocompatibele polymere film, en dit is de reden waarom wordt verwacht dat het zonder stress wordt toegepast op een draagbare gezondheidsmonitor, en/of implanteerbare apparaten zoals een zachte pacemaker. Voor praktische uitvoering, het is van cruciaal belang (1) om optimaal gebruik te maken van de zachtheid en biocompatibiliteit, gelijktijdig (2) om de stuurspanning te verlagen tot een paar V, en (3) om het risico op infecties door sterilisatie te verminderen, om veiligheidsredenen. Tot nu toe, echter, de bestaande organische transistoren hadden enorme obstakels voor het praktische gebruik in de gezondheids- en medische sector. Bijvoorbeeld, typische stuurspanning voor beeldschermen is hoog (d.w.z. 20 tot 80 V) en/of en is niet duurzaam bij sterilisatie bij hoge temperatuur.

Het team is erin geslaagd om op een polymeerfilm een ​​organische transistor te vervaardigen die een hoge thermische stabiliteit en een stuurspanning van 2V tegelijk heeft. Het nieuwe type organische transistor kan worden gesteriliseerd in een standaard sterilisatieproces (150 ° C warmtebehandeling) zonder verslechtering van de elektrische prestaties. De sleutel tot het realiseren van een hittebestendige organische transistor is de vormingstechniek van een ultradunne isolatorfilm:het team ontwikkelt een techniek om buitengewoon dicht opeengepakte zelf-geassembleerde monolaag (SAM) films te vormen, waarvan de dikte slechts 2 nanometer is, op een polymeerfilm. Hierdoor kunnen ze de substraattemperatuur tot 150 °C verhogen zonder gaatjes door SAM-films te maken tijdens de behandeling bij hoge temperatuur. Er wordt aangenomen dat ultradunne monolaagfilm zoals SAM gemakkelijk degradeert door thermische processen; echter, onverwacht is aangetoond dat dicht opeengepakte SAM stabiel is bij 150 °C of hoger. Dit resultaat wordt ook bewezen door systematische karakterisering van kristallografische structuren van SAM met behulp van een synchrotronstralingsbundel. Verder, door gebruik te maken van een nieuwe inkapselingslaag bestaande uit organische/metalen composietmaterialen en extreem thermisch stabiele en zeer beweeglijke organische halfgeleiders, de thermische stabiliteit van organische transistors is nu verbeterd tot 150 °C.

Het zou meer voordeel moeten halen uit het toepassen van deze hittebestendige organische transistor op implanteerbare apparaten op lange termijn, of aan sommige medische apparaten zoals een slimme katheter. Met deze toepassingen verwacht wordt dat het gebruik van de transistor zal worden uitgebreid tot medische apparaten zoals dunnefilmsensoren die tumoren zullen detecteren, ontstekingen, en of kanker.

Het internationale team wordt geleid door Dr. Takao Someya, die professor is aan de Universiteit van Tokyo (voorzitter:Jyunichi Hamada, doctoraat), een onderzoeksdirecteur van ERATO (Exploratory Research for Advanced Technology) "Someya Bio-Harmonized Electronics Project" van het Japan Science and Technology Agency (JST, Voorzitter:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), en een wereldwijde geleerde van Princeton University (voorzitter:Shirley M. Tilghman, doctoraat), in samenwerking met universitair hoofddocent Tsuyoshi Sekitani van de Universiteit van Tokyo en professor Yueh-Lin (Lynn) Loo van Princeton University. Dit gezamenlijke onderzoeksproject werd ook uitgevoerd met de volgende instellingen:Max Planck Institute for Solid State Research, Duitsland, Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, NIST, ONS., Universiteit van Hiroshima, en Nippon Kayaku Co., Japan.

Als gevolg van een sterk dalend geboortecijfer en een groeiend aandeel ouderen, informatietechnologie (IT)-apparaten worden snel geïntroduceerd in de gezondheids- en medische sector. Een van de goede voorbeelden is de internetverbinding van een zorgapparaat tussen de woning van een patiënt en een ziekenhuis. Dankzij internet kon een arts de hartslag en het gewicht van het geduld van zijn/haar huis volgen. De miniaturisering van medische apparaten zoals endoscopen slaagde erin de belasting en/of invasiviteit van de patiënt te minimaliseren. Op deze manier, op medisch en gezondheidsgebied, elektronica wordt steeds belangrijker. Inderdaad, op de gezondheids- en medische markt, elektronica zal naar verwachting tot 2015 elk jaar met 120% groeien.

Op deze achtergrond, een organische transistor, dat is een flexibele elektronische schakelaar, trekt veel aandacht omdat het gemakkelijk op een biocompatibele polymere film kan worden vervaardigd. Een biocompatibele organische transistor zou geschikt zijn voor toepassingen in een stressvrij draagbaar gezondheidsbewakingssysteem en implanteerbare apparaten zoals een zachte pacemaker. Voor praktische uitvoering, het is van cruciaal belang (1) om optimaal gebruik te maken van de zachtheid en biocompatibiliteit, gelijktijdig (2) om de stuurspanning te verlagen tot een paar V, en (3) om het risico op infecties door sterilisatie te verminderen, om veiligheidsredenen. Tot nu toe, echter, de bestaande organische transistoren hadden enorme obstakels voor het praktische gebruik in de gezondheids- en medische sector. Bijvoorbeeld, typische stuurspanning voor beeldschermen is hoog (d.w.z. 20 tot 80 V) en/of en is niet duurzaam bij sterilisatie bij hoge temperatuur.

Het team is erin geslaagd om op een polymeerfilm een ​​organische transistor te vervaardigen die 's werelds eerste 150 °C thermostabiliteit en tegelijkertijd een stuurspanning van 2V heeft. De sleutels om de hittebestendige organische transistor te realiseren zijn (1) zelf-geassembleerde monolaag (SAM) en (2) een verzegelende film, die later worden besproken. De hoge thermische stabiliteit die we hadden gerealiseerd deed de typische theorie exploderen dat een ultradunne monolaagfilm van nanometer groot gemakkelijk door hitte werd aangetast. Dit resultaat werd ook bewezen door de systematische analyse van nauwkeurige kristallografische karakteriseringen met behulp van een synchrotronstralingsbundel, die in (3) in detail zal worden beschreven. Verder, de organische transistor is succesvol gesteriliseerd onder een standaard sterilisatieproces (150 °C warmtebehandeling) zonder elektrisch te worden aangetast. Dit wordt besproken in (4).

(1) Zeer thermostabiele zelf-geassembleerde monolaag (SAM) poortisolator

Een sleuteltechnologie voor de ontwikkeling van steriliseerbare organische transistoren is de 2 nm dikke ultradunne zelf-geassembleerde monolaag (SAM) film. Het verminderen van de dikte van een gate-isolatorfilm staat bekend als de effectieve manier om de stuurspanning van een organische transistor te verminderen. Om veiligheidsredenen, het is noodzakelijk om een ​​gate-isolatorfilm te verdunnen tot een dikte van enkele nanometers om de stuurspanning terug te brengen tot 2V. Het team gebruikte in het verleden SAM-film voor een poortisolator. Ze probeerden het productieproces van SAM te optimaliseren vanuit het oogpunt van hittebestendigheid. Als resultaat, door de kristallijne ordening van dicht opeengepakte SAM-films op een polymere film aanzienlijk te verbeteren, ze slagen erin een isolatiefilm te vormen die geen gaatjes creëert, de oorzaak van een lekstroom, zelfs onder een hoge warmtebehandeling. Dit wordt mogelijk door de plasmaconditie te optimaliseren tijdens het vormproces van dunne aluminiumoxidefilms bovenop de polymere film, wat resulteert in een manier om te voorkomen dat de film wordt beschadigd tijdens een plasmaproces.

(2) Een inkapselingslaag bestaande uit organische en metaalcomposietfilms

Een verbetering van de thermische stabiliteit van een SAM-poortisolator is niet voldoende om de hoge thermische stabiliteit van een organische transistor te bereiken. Normaal gesproken, Van organische halfgeleiders die de kanaallaag in een organische transistor vormen, is bekend dat ze gemakkelijk door warmte worden afgebroken. Daarbij, een organische halfgeleider, die zorgvuldig is gekozen uit hittebestendige materialen, is dinaphto-thieno-thiofeen (DNTT) in het experiment. Verder, na het vervaardigen van een organische transistor, de transistor is volledig bedekt door een flexibele, hittebestendige inkapselingslaag bestaande uit organische en metaalcomposietfilms (Figuur 2). De inkapselingslaag weerhoudt DNTT van sublimatie met warmte, en het voorkomt dat elementen aanzienlijk verslechteren. Bovendien, het is aangetoond dat de elektronische eigenschappen van de organische transistor praktisch onveranderd blijven, zelfs na onderdompeling in kokend water.

(3) Structurele karakterisering van nanometer-dikke films door synchrotronstralingsbundels

De kristallografische structuren van SAM films worden onderzocht. Accuraat zijn, de poortisolatiefilm die in het experiment werd gebruikt, bestaat uit twee lagen, namelijk, 4 nm dik aluminiumoxide en 2 nm dikke zelf-geassembleerde monolaag. De thermische weerstand van aluminiumoxide is al lang bekend; echter, er is geen rapport gepubliceerd over een structurele analyse van SAM-film, noch een rapport om de structurele stabiliteit van SAM-film ingebed in de apparaten bij hoge temperatuur te bewijzen. Dit komt door de moeilijkheid om de structuur van een dergelijke dunne SAM-film met een enkele moleculaire laagdikte te analyseren met behulp van röntgenanalyse.

Het team probeerde de kristallografische structuren van een SAM-film nauwkeurig te karakteriseren om de hittebestendigheid van een organische transistor te evalueren. Merk op dat de dikte van een SAM-film zo klein is als 2 nanometer. Door gebruik te maken van een synchrotronstralingsbundel, het is bewezen, voor de allereerste keer, voor zover wij weten, die kristallografische structuur van een SAM-film vertoont enige verslechtering van de moleculaire ordening, zelfs bij 150 ° C of hogere temperatuur. Deze uitkomst verwierp onverwacht wat men dacht dat een ultradunne monolaagfilm van enkele nanometers dun gemakkelijk door hitte moet worden afgebroken.

De analyse werd uitgevoerd samen met professor Yueh-Lin (Lynn) Loo van Princeton University en een groep bij NIST, en een synchrotronstralingsbundel bij Brookhaven National Laboratory wordt gebruikt.

(4) De creatie van medische flexibele elektronica

De zeer thermostabiele organische transistoren kunnen worden gesteriliseerd zonder elektrisch te worden aangetast. Het team evalueerde de hittebestendigheid van elementen voor drie verschillende standaard verwarmingssterilisatieprocessen die veel worden gebruikt om medische apparaten te steriliseren:ze zijn (1) een warmtebehandeling bij een temperatuur van 150 °C gedurende 20 seconden bij atmosferische druk, (2) een warmtebehandeling bij 2 atmosferische drukken, 121 °C gedurende 20 seconden, en (3) een sterilisatie door koken.

Eerst, de thermische stabiliteit van de vervaardigde organische transistor wordt verbeterd door een gloeiproces bij 160 °C, die enigszins hoog is dan de typische gloeitemperatuur voor sterilisatie. Tweede, bacteriën worden gekweekt op de bovengenoemde transistor. Eindelijk, het aantal bacteriën en de elektrische eigenschappen worden gemeten voor en na het medische sterilisatieproces. Als resultaat, bijna alle bacteriën stierven na de sterilisatie; echter, elektrische eigenschappen van de transistor zijn praktisch onveranderd (een verwaarloosbaar niveau).

In tegenstelling tot de conventionele anorganische materialen, organische transistors zijn in staat om lichtgewicht en mechanisch flexibele elektronische apparaten te maken, omdat ze op een polymere film kunnen worden gebouwd door verwerking bij lage temperatuur. Organische transistors kunnen ook worden vervaardigd door middel van een printproces:dit zorgde voor een drastische kostenbesparing bij het maken van transistors met een groot oppervlak, vergeleken met die gemaakt met silicium. Een van de belangrijkste aandrijftoepassingen voor organische transistors is e-paper. Tot nu toe, Someya en zijn collega's hebben intensief onderzoek gedaan naar de toepassing van organische transistoren op sensoren met een groot oppervlak of actuatoren met een groot oppervlak. Het team heeft de haalbaarheid aangetoond van het implementeren van organische transistoren in elektronica voor grote oppervlakken. Een reeks van hun prestaties omvatten een robot e-skin (2003), een velscanner (2004), een ultradunne brailleleesregel (2005), een draadloos krachtoverbrengingsblad (2006), een communicatieblad (2007), een ultrasone plaat (2008), een flashgeheugen (2009).

Onlangs, Vanwege hun biocompatibiliteit is het verlangen om organische transistoren te implementeren in medische en gezondheidszorgapparatuur. Echter, het is onontbeerlijk dat die apparaten worden gesteriliseerd. Daarom, het is vereist dat die organische circuits die op plastic films zijn gebouwd, stabiel moeten zijn door warmtebehandeling, en dat ze met laagspanning worden aangedreven.

Someya en zijn collega's zijn erin geslaagd een organische transistor te maken die niet verslechtert na verhitting tot 150 °C in 2004. Hoewel, een dik organisch polymeer dat als isolatiefilm werd gebruikt, zorgde ervoor dat de stuurspanning erg hoog was, en het was de reden waarom het niet geschikt was voor bio/medisch gebruik. Het team had geprobeerd een paar nm organische/anorganische materialen op een plastic film te bouwen met behulp van een moleculaire zelfassemblage, en ze hebben eindelijk voor het eerst de haalbaarheid van hittebestendigheid van SAM-film bewezen.

In het laatste jaar, ze vonden een nieuwe medische elektronica uit genaamd "een intelligente katheter" met behulp van flexibele organische transistortechniek:de nieuwe smalle katheter is bedekt met een druksensornetwerk (gepubliceerd in Natuurmaterialen , VK in 2010). Het was onvermijdelijk om een ​​thermostabiele organische transistor te ontwikkelen, zodat de nieuwe katheter praktisch in de ziekenhuizen zou kunnen worden gebruikt. Uiteindelijk hebben ze de barrière overwonnen.

Organische transistors zijn mechanisch flexibel en naar verwachting biocompatibel omdat ze zijn gemaakt van zachte organische elektronische materialen zoals organische halfgeleiders. Aantrekkelijke toepassingen die naar verwachting zullen worden gerealiseerd door flexibele biocompatibele organische transistors, zijn onder meer "een draagbare elektronica" die bio-informatie van buiten een huid uitleest, of "een implanteerbare elektronica" die direct bio-informatie extraheert door de elektronica in een lichaam te implanteren. Inderdaad, Someya en zijn collega bedachten ook om de ultraflexibele organische elektronica toe te passen om een ​​smalle katheter te bedekken. Dit opent een nieuwe weg naar de ontwikkeling van een dunnefilmsensor die tumoren detecteert, ontstekingen, vroege kankers. De uitvinding zal zeker het gebruik van de organische transistoren als medische apparaten verbreden. Aangezien een flexibiliteit, een grote dekking, en een elektrische stabiliteit zijn onmisbaar voor de implementatie van deze medische hulpmiddelen, de huidige uitvinding zal dienen als de kerntechnologie bij het ontwikkelen van de toekomstige medische apparaten.

Tot dit punt, beeldschermen en zonnecellen zijn beschouwd als de belangrijkste drijvende toepassingen van organische apparaten. Organische EL-displays en organische flexibele zonnecellen worden snel geïmplementeerd. Echter, ze zijn slechts een glimp van de enorme mogelijkheden die organische apparaten bezitten. Inderdaad, 's werelds onderzoekers concurreren bij het ontwikkelen van gezondheids- en medische toepassingen met behulp van de zachtheid van organische apparaten. Het team is toonaangevend op het gebied van flexibele apparaten door 's werelds kleinste minimale buigradius (100 µm) te bereiken. Met de haalbaarheid getoond met deze steriliseerbare, flexibele organische transistoren, de bijdrage zal het onderzoek naar de medische toepassingen versnellen.

De paper wordt online gepubliceerd in Natuurcommunicatie (VK) op 6 maart, 2012 (GMT)