Een nanogestructureerd poortdiëlektricum heeft mogelijk het belangrijkste obstakel aangepakt voor de uitbreiding van het gebruik van organische halfgeleiders voor dunnefilmtransistors. De structuur, samengesteld uit een fluorpolymeerlaag gevolgd door een nanolaminaat gemaakt van twee metaaloxidematerialen, dient als gate-diëlektricum en beschermt tegelijkertijd de organische halfgeleider - die voorheen kwetsbaar was voor schade door de omgeving - en stelt de transistors in staat om met ongekende stabiliteit te werken.

De nieuwe structuur geeft dunnefilmtransistoren een stabiliteit die vergelijkbaar is met die gemaakt met anorganische materialen, waardoor ze kunnen werken in omgevingsomstandigheden - zelfs onder water. Organische dunnefilmtransistors kunnen goedkoop worden gemaakt bij lage temperatuur op een verscheidenheid aan flexibele substraten met behulp van technieken zoals inkjetprinten, mogelijk nieuwe toepassingen openen die profiteren van eenvoudige, additieve fabricageprocessen.

"We hebben nu een geometrie bewezen die levenslange prestaties oplevert die voor het eerst aantonen dat organische circuits net zo stabiel kunnen zijn als apparaten die zijn geproduceerd met conventionele anorganische technologieën, zei Bernard Kippelen, de Joseph M. Pettit-professor in Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE) en directeur van Georgia Tech's Center for Organic Photonics and Electronics (COPE). "Dit zou het kantelpunt kunnen zijn voor organische dunnefilmtransistors, het aanpakken van al lang bestaande zorgen over de stabiliteit van organische afdrukbare apparaten."

Het onderzoek werd op 12 januari gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Het onderzoek is het hoogtepunt van 15 jaar ontwikkeling binnen COPE en werd ondersteund door sponsors, waaronder het Office of Naval Research, het Air Force Office of Scientific Research, en de National Nuclear Security Administration.

Transistoren bestaan ​​uit drie elektroden. De source- en drain-elektroden laten stroom door om de "aan"-status te creëren, maar alleen wanneer er een spanning op de poortelektrode wordt aangelegd, die door een dunne diëlektrische laag is gescheiden van het organische halfgeleidermateriaal. Een uniek aspect van de bij Georgia Tech ontwikkelde architectuur is dat deze diëlektrische laag twee componenten gebruikt, een fluorpolymeer en een metaaloxidelaag.

"Toen we deze architectuur voor het eerst ontwikkelden, deze metaaloxidelaag was aluminiumoxide, die gevoelig is voor schade door vocht, " zei Canek Fuentes-Hernandez, een senior onderzoeker en co-auteur van het artikel. "In samenwerking met Georgia Tech Professor Samuel Graham, we hebben complexe nanolaminaatbarrières ontwikkeld die kunnen worden geproduceerd bij temperaturen onder 110 graden Celsius en die, wanneer ze worden gebruikt als poortdiëlektricum, stelde transistors in staat om ondergedompeld te worden in water nabij het kookpunt."

De nieuwe Georgia Tech-architectuur maakt gebruik van afwisselende lagen aluminiumoxide en hafniumoxide - vijf lagen van één, dan vijf lagen van de andere, 30 keer herhaald bovenop het fluorpolymeer - om het diëlektricum te maken. De oxidelagen worden geproduceerd met atomic layer deposition (ALD). Het nanolaminaat, die uiteindelijk ongeveer 50 nanometer dik wordt, is vrijwel immuun voor de effecten van vochtigheid.

"Hoewel we wisten dat deze architectuur goede barrière-eigenschappen opleverde, we werden weggeblazen door hoe stabiel transistors werkten met de nieuwe architectuur, " zei Fuentes-Hernandez. "De prestaties van deze transistors bleven vrijwel onveranderd, zelfs wanneer we ze honderden uren en bij verhoogde temperaturen van 75 graden Celsius gebruikten. Dit was verreweg de meest stabiele organische transistor die we ooit hadden gefabriceerd."

Voor de laboratoriumdemonstratie, de onderzoekers gebruikten een glazen substraat, maar er kunnen ook veel andere flexibele materialen – waaronder polymeren en zelfs papier – worden gebruikt.

In het labortorium, de onderzoekers gebruikten standaard ALD-groeitechnieken om het nanolaminaat te produceren. Maar nieuwere processen die ruimtelijke ALD worden genoemd - waarbij gebruik wordt gemaakt van meerdere koppen met spuitmonden die de voorlopers leveren - zouden de productie kunnen versnellen en de apparaten in omvang kunnen vergroten. "ALD heeft nu een volwassenheidsniveau bereikt waarop het een schaalbaar industrieel proces is geworden, en we denken dat dit een nieuwe fase in de ontwikkeling van organische dunnefilmtransistors mogelijk zal maken, ', aldus Kippelen.

Een voor de hand liggende toepassing is voor de transistors die pixels aansturen in organische lichtgevende displays (OLED's) die worden gebruikt in apparaten als de iPhone X en Samsung-telefoons. Deze pixels worden nu bestuurd door transistors die zijn vervaardigd met conventionele anorganische halfgeleiders, maar met de extra stabiliteit die wordt geboden door het nieuwe nanolaminaat, ze zouden in plaats daarvan misschien kunnen worden gemaakt met bedrukbare organische dunnefilmtransistors.

Internet of things (IoT)-apparaten kunnen ook profiteren van fabricage die mogelijk wordt gemaakt door de nieuwe technologie, waardoor productie met inkjetprinters en andere goedkope print- en coatingprocessen mogelijk is. De nanolaminaattechniek zou ook de ontwikkeling van goedkope op papier gebaseerde apparaten mogelijk kunnen maken, zoals smarttickets, die antennes zouden gebruiken, displays en geheugen vervaardigd op papier door middel van goedkope processen.

Maar de meest dramatische toepassingen kunnen zijn in zeer grote flexibele schermen die kunnen worden opgerold wanneer ze niet in gebruik zijn.

"We zullen een betere beeldkwaliteit krijgen, groter formaat en betere resolutie, "Zei Kippelen. "Naarmate deze schermen groter worden, de rigide vormfactor van conventionele schermen zal een beperking zijn. Op koolstof gebaseerde technologie met lage verwerkingstemperatuur zorgt ervoor dat het scherm kan worden opgerold, daardoor gemakkelijk mee te nemen en minder gevoelig voor beschadiging.

Voor hun demonstratie Het team van Kippelen – waaronder ook Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang en Youngrak Park - gebruikten een organische halfgeleider als model. Het materiaal heeft bekende eigenschappen, maar met carrier-mobiliteitswaarden van 1,6 cm2/Vs is dit niet de snelste die beschikbaar is. Als volgende stap, de onderzoekers willen hun proces testen op nieuwere organische halfgeleiders die een hogere ladingsmobiliteit bieden. Ze zijn ook van plan om het nanolaminaat te blijven testen onder verschillende buigomstandigheden, over langere perioden, en in andere apparaatplatforms zoals fotodetectoren.

Hoewel de op koolstof gebaseerde elektronica hun apparaatmogelijkheden uitbreidt, traditionele materialen zoals silicium hebben niets te vrezen.

"Als het om hoge snelheden gaat, kristallijne materialen zoals silicium of galliumnitride zullen zeker een mooie en zeer lange toekomst hebben, ", zei Kippelen. "Maar voor veel toekomstige gedrukte toepassingen, een combinatie van de nieuwste organische halfgeleider met hogere ladingsmobiliteit en het nanogestructureerde poortdiëlektricum zal een zeer krachtige apparaattechnologie opleveren."