p Uma equipe de pesquisa internacional conseguiu fabricar em um filme polimérico o primeiro transistor orgânico flexível do mundo que é robusto o suficiente sob o processo de esterilização médica de alta temperatura. O estudo será publicado online em Nature Communications em 6 de março, 2012 p Em uma sociedade que está envelhecendo seriamente com uma taxa de natalidade em declínio, A eletrônica está aumentando sua importância na área médica e de saúde à medida que mais dispositivos de TI estão sendo introduzidos. Sobre este pano de fundo, uma expectativa está ficando maior em um transistor orgânico, que é um interruptor eletrônico macio. Um transistor orgânico flexível pode ser facilmente fabricado em um filme polimérico biocompatível, e esta é a razão pela qual se espera que seja adotado como monitor de saúde vestível sem estresse, e / ou dispositivos implantáveis, como um marca-passo suave. Para implementação prática, é fundamental (1) fazer o melhor uso de sua suavidade e biocompatibilidade, simultaneamente (2) para diminuir a tensão de condução até alguns V, e (3) para diminuir o risco de infecções por esterilização, por um motivo de segurança. Até agora, Contudo, os transistores orgânicos existentes tinham enormes obstáculos para o uso prático na área da saúde e da medicina. Por exemplo, a voltagem de condução típica para monitores é alta (ou seja, 20 a 80 V) e / ou e não é durável sob esterilização em alta temperatura.

p A equipe conseguiu fabricar em um filme polimérico um transistor orgânico que possui alta estabilidade térmica e tensão de condução de 2 V ao mesmo tempo. O novo tipo de transistor orgânico pode ser esterilizado em um processo de esterilização padrão (tratamento térmico de 150 ° C) sem sofrer deterioração em seu desempenho elétrico. A chave para realizar um transistor orgânico resistente ao calor está na técnica de formação de um filme isolante ultrafino:a equipe desenvolve uma técnica para formar filmes de monocamada automontados (SAM) extraordinariamente densos, cuja espessura é tão pequena quanto 2 nanômetros, em um filme polimérico. Isso permite que eles elevem a temperatura do substrato em até 150 ° C sem criar furos nos filmes de SAM durante o tratamento de alta temperatura. Acredita-se que o filme monocamada ultrafino como o SAM se degrada facilmente por processos térmicos; Contudo, é demonstrado inesperadamente que o SAM densamente compactado é estável a 150 ° C ou mais. Este resultado também é comprovado pela caracterização sistemática de estruturas cristalográficas de SAM usando um feixe de radiação síncrotron. Além disso, ao adotar uma nova camada de encapsulamento compreendendo materiais compostos orgânicos / metálicos e semicondutores orgânicos termicamente estáveis ​​e de alta mobilidade, a estabilidade térmica dos transistores orgânicos agora é melhorada em até 150 ° C.

p Deve ser mais beneficiado com a aplicação deste transistor orgânico resistente ao calor em dispositivos implantáveis ​​de longo prazo, ou a alguns dispositivos médicos, como um cateter inteligente. Com esses aplicativos, espera-se que amplie o uso do transistor para aparelhos médicos, como sensor de filme fino que detectará tumores, inflamações, e ou câncer.

p A equipe internacional é liderada pelo Dr. Takao Someya, que é professor da Universidade de Tóquio (Presidente:Jyunichi Hamada, Ph.D.), um diretor de pesquisa da ERATO (Pesquisa Exploratória para Tecnologia Avançada) “Someya Bio-Harmonized Electronics Project” da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JST, Presidente:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), e um estudioso global da Universidade de Princeton (Presidente:Shirley M. Tilghman, Ph.D.), em colaborações com o professor associado Tsuyoshi Sekitani da Universidade de Tóquio e o professor Yueh-Lin (Lynn) Loo da Universidade de Princeton. Este projeto de pesquisa conjunto também foi realizado com as seguintes instituições:Max Planck Institute for Solid State Research, Alemanha, Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, NIST, NÓS., Universidade de Hiroshima, e Nippon Kayaku Co., Japão.

p Em conseqüência de um sério declínio na taxa de natalidade e uma proporção crescente de idosos, dispositivos de tecnologia da informação (TI) são rapidamente introduzidos na área médica e de saúde. Um dos bons exemplos é a conexão à Internet de um dispositivo de saúde entre a casa de um paciente e um hospital. A internet permitiu que um médico monitorasse os batimentos cardíacos e os pesos dos pacientes longe de sua casa. A miniaturização de aparelhos médicos, como endoscópios, conseguiu minimizar a carga e / ou a capacidade de invasão dos pacientes. Desta maneira, na área médica e de saúde, a eletrônica está aumentando sua importância. De fato, no mercado de saúde e médico, a eletrônica deve crescer 120% a cada ano, sucessivamente, até 2015.

p Neste contexto, um transistor orgânico, que é um interruptor eletrônico flexível, chama muita atenção por ser facilmente fabricado em um filme polimérico biocompatível. Um transistor orgânico biocompatível seria adequado para aplicações em um sistema de monitoramento de saúde vestível sem estresse e dispositivos implantáveis, como um marcapasso macio. Para implementação prática, é fundamental (1) fazer o melhor uso de sua suavidade e biocompatibilidade, simultaneamente (2) para diminuir a tensão de condução até alguns V, e (3) para diminuir o risco de infecções por esterilização, por um motivo de segurança. Até agora, Contudo, os transistores orgânicos existentes tinham enormes obstáculos para o uso prático na área da saúde e da medicina. Por exemplo, a voltagem de condução típica para monitores é alta (ou seja, 20 a 80 V) e / ou e não é durável sob esterilização em alta temperatura.

p A equipe conseguiu fabricar em um filme polimérico um transistor orgânico que possui a primeira termoestabilidade de 150 ° C do mundo e, simultaneamente, sua voltagem de condução de 2V. As chaves para realizar o transistor orgânico resistente ao calor são (1) monocamada automontada (SAM) e (2) uma película de vedação, que serão discutidos mais tarde. A alta estabilidade térmica que havíamos percebido explodiu a teoria típica de que um filme monocamada ultrafino de nanômetros de tamanho era facilmente afetado pelo calor. Este resultado também foi comprovado pela análise sistemática de caracterizações cristalográficas precisas usando um feixe de radiação síncrotron, que será descrito em (3) em detalhes. Além disso, o transistor orgânico foi esterilizado com sucesso sob um processo de esterilização padrão (tratamento térmico de 150 ° C) sem ser eletricamente deteriorado. Isso será discutido em (4).

p (1) Isolador de porta de monocamada automontável altamente termoestável (SAM)

p Uma tecnologia chave para o desenvolvimento de transistores orgânicos esterilizáveis ​​é o filme de monocamada auto-montada (SAM) ultrafino de 2 nm de espessura. Reduzir a espessura de um filme isolador de porta é conhecido como a maneira eficaz de reduzir a tensão de acionamento de um transistor orgânico. Por motivos de segurança, é necessário afinar a película isolante de uma porta para alguns nanômetros de espessura, a fim de reduzir a tensão de condução para 2V. A equipe empregou filme SAM para um isolador de portão no passado. Eles tentaram otimizar o processo de fabricação de SAM do ponto de vista da resistência ao calor. Como resultado, melhorando substancialmente a ordenação cristalina de filmes de SAM densamente empacotados em um filme polimérico, eles conseguem formar uma película isolante que não cria furos, a causa de uma corrente de fuga, mesmo sob um tratamento de alta temperatura. Isso se torna possível otimizando a condição do plasma durante o processo de modelagem de filmes finos de óxido de alumínio no topo do filme polimérico, resultando em uma maneira de evitar que o filme seja danificado durante um processo de plasma.

p (2) Uma camada de encapsulamento compreendendo filmes compostos orgânicos e de metal

p Uma melhoria da estabilidade térmica de um isolador de porta SAM não é suficiente para alcançar a alta estabilidade térmica de um transistor orgânico. Normalmente, semicondutores orgânicos que compõem a camada de canal no transistor orgânico são conhecidos por serem facilmente degradados pelo calor. Deste modo, um semicondutor orgânico, que é cuidadosamente escolhido entre materiais resistentes ao calor, é o dinafto-tieno-tiofeno (DNTT) no experimento. Além disso, depois de fabricar um transistor orgânico, o transistor é completamente coberto por um camada de encapsulamento resistente ao calor compreendendo filmes compostos orgânicos e metálicos (Figura 2). A camada de encapsulamento impede o DNTT de sublimar com calor, e evita que os elementos se deteriorem substancialmente. Além disso, é demonstrado que a característica eletrônica do transistor orgânico permanece praticamente inalterada mesmo depois de mergulhado na água fervente.

p (3) Caracterização estrutural de filmes de espessura nanométrica por feixes de radiação síncrotron

p As estruturas cristalográficas dos filmes de SAM são examinadas. Para ser exato, o filme isolador de porta usado no experimento consiste em duas camadas, nomeadamente, Óxido de alumínio de 4 nm de espessura e monocamada automontada de 2 nm de espessura. A resistência térmica do óxido de alumínio é conhecida há muito tempo; Contudo, não houve nenhum relatório publicado sobre uma análise estrutural no filme SAM, nem um relatório para provar a estabilidade estrutural do filme SAM embutido nos dispositivos em alta temperatura. Isso ocorre devido à dificuldade em analisar a estrutura de um filme de SAM tão fino com espessura de camada molecular única usando análise de raios-x.

p A equipe tentou caracterizar precisamente as estruturas cristalográficas de um filme de SAM para avaliar a resistência ao calor de um transistor orgânico. Observe que a espessura de um filme de SAM é tão pequena quanto 2 nanômetros. Usando um feixe de radiação síncrotron, está provado, pela primeira vez, para o melhor de nosso conhecimento, que a estrutura cristalográfica de um filme de SAM exibe qualquer deterioração na ordem molecular, mesmo a 150 ° C ou temperatura mais alta. Esse resultado derrubou inesperadamente o que se acreditava que um filme monocamada ultrafino de finura de alguns nanômetros deve se degradar facilmente pelo calor.

p A análise foi realizada em conjunto com o Professor Yueh-Lin (Lynn) Loo da Universidade de Princeton e um grupo do NIST, e um feixe de radiação síncrotron no Laboratório Nacional de Brookhaven é usado.

p (4) A criação de eletrônicos flexíveis médicos

p Os transistores orgânicos termoestáveis ​​são capazes de ser esterilizados sem deterioração elétrica. A equipe avaliou a resistência ao calor dos elementos para três diferentes processos de esterilização por aquecimento padrão que são amplamente usados ​​para esterilizar aparelhos médicos:eles são (1) um tratamento térmico a uma temperatura de 150 ° C por 20 segundos à pressão atmosférica, (2) um tratamento térmico a 2 pressões atmosféricas, 121 ° C por 20 segundos, e (3) uma esterilização por fervura.

p Primeiro, a estabilidade térmica do transistor orgânico fabricado é melhorada pelo processo de recozimento a 160 ° C, que é ligeiramente alta do que a temperatura de recozimento típica para esterilização. Segundo, bactérias são cultivadas no transistor mencionado acima. Finalmente, o número de bactérias e as características elétricas são medidos antes e depois do processo de esterilização médica. Como resultado, quase todas as bactérias morreram após a esterilização; Contudo, as características elétricas do transistor são praticamente inalteradas (um nível insignificante).

p Ao contrário dos materiais inorgânicos convencionais, transistores orgânicos são capazes de fazer dispositivos eletrônicos leves e mecanicamente flexíveis, uma vez que podem ser construídos em filme polimérico por um processamento a baixa temperatura. Os transistores orgânicos também podem ser fabricados por meio do processo de impressão:Isso permitiu uma redução drástica de custos ao fazer transistores de grande área, em comparação com aqueles feitos com silício. Uma das principais aplicações para os transistores orgânicos é o e-paper. Até agora, Someya e seus colegas de trabalho investigaram intensamente a aplicação de transistores orgânicos a sensores de grande área ou atuadores de grande área. A equipe mostrou a viabilidade de implementação de transistores orgânicos para eletrônicos de grande área. Uma série de suas realizações inclui um robô e-skin (2003), um scanner do tipo folha (2004), uma tela de folha braille ultrafina (2005), uma folha de transmissão de energia sem fio (2006), uma folha de comunicação (2007), uma folha ultrassônica (2008), uma memória flash (2009).

p Recentemente, transistores orgânicos devem ser implementados em dispositivos médicos e de saúde devido à sua biocompatibilidade. Contudo, é indispensável que esses dispositivos sejam esterilizados. Portanto, foi necessário que esses circuitos orgânicos construídos em filmes plásticos sejam estáveis ​​por meio de tratamento térmico, e que são acionados com baixa tensão.

p Someya e seus colegas de trabalho conseguiram fazer um transistor orgânico que permanece inalterado após aquecer até 150 ° C em 2004. Porém, um polímero orgânico espesso que foi usado como uma película isolante fez com que a voltagem motriz fosse muito alta, e era a razão pela qual não se adequava ao uso bio / médico. A equipe tentou construir alguns materiais orgânicos / inorgânicos nm em um filme plástico usando uma automontagem molecular, e eles finalmente provaram a viabilidade da resistência ao calor do filme de SAM pela primeira vez.

p No ano passado, eles inventaram uma nova eletrônica médica chamada "um cateter inteligente" usando a técnica de transistor orgânico flexível:o novo cateter estreito é coberto com uma rede de sensores de pressão (publicado em Materiais da Natureza , Reino Unido em 2010). Era inevitável o desenvolvimento de um transistor orgânico termoestável para que o novo cateter fosse usado praticamente nos hospitais. Eles finalmente superaram a barreira.

p Os transistores orgânicos são mecanicamente flexíveis e biocompatíveis, visto que são feitos de materiais eletrônicos orgânicos macios, como semicondutores orgânicos. Aplicações atraentes que devem ser realizadas por transistores orgânicos biocompatíveis flexíveis incluem "uma eletrônica vestível" que lê bioinformações de fora da pele, ou “uma eletrônica implantável” que extrai diretamente a bioinformação implantando a eletrônica em um corpo. De fato, Someya e seu colega de trabalho também aplicaram os componentes eletrônicos orgânicos ultraflexíveis para cobrir um cateter estreito. Isso abre um novo caminho para o desenvolvimento de um sensor de filme fino que detecta tumores, inflamações, cânceres iniciais. A invenção certamente ampliará o uso dos transistores orgânicos como dispositivos médicos. Por ser uma flexibilidade, uma grande cobertura, e uma estabilidade elétrica são indispensáveis ​​para a implementação desses dispositivos médicos, a presente invenção servirá como a tecnologia central ao desenvolver os futuros dispositivos médicos.

p Até este ponto, monitores e células solares têm sido considerados as principais aplicações motrizes de dispositivos orgânicos. Monitores EL orgânicos e células solares flexíveis orgânicas são implementados rapidamente. Contudo, eles são apenas um vislumbre do vasto potencial que os dispositivos orgânicos possuem. De fato, pesquisadores do mundo estão competindo no desenvolvimento de aplicações médicas e de saúde utilizando a suavidade de dispositivos orgânicos. A equipe liderou o campo de dispositivos flexíveis ao atingir o menor raio de curvatura mínimo do mundo (100 µm). Com a viabilidade demonstrada com estes esterilizáveis, transistores orgânicos flexíveis, a contribuição vai acelerar as pesquisas nas aplicações médicas.

p O artigo será publicado online em Nature Communications (Reino Unido) em 6 de março, 2012 (GMT)