Um dielétrico de porta nanoestruturada pode ter abordado o obstáculo mais significativo para expandir o uso de semicondutores orgânicos para transistores de película fina. A estrutura, composto por uma camada de fluoropolímero seguida por um nanolaminado feito de dois materiais de óxido de metal, serve como dielétrico de porta e, simultaneamente, protege o semicondutor orgânico - que antes era vulnerável a danos do meio ambiente - e permite que os transistores operem com estabilidade sem precedentes.

A nova estrutura oferece estabilidade aos transistores de filme fino comparável àqueles feitos com materiais inorgânicos, permitindo-lhes operar em condições ambientais - mesmo debaixo d'água. Transistores de película fina orgânicos podem ser feitos de forma barata em baixa temperatura em uma variedade de substratos flexíveis usando técnicas como impressão a jato de tinta, potencialmente abrindo novos aplicativos que tiram proveito de recursos simples, processos de fabricação de aditivos.

"Nós agora provamos uma geometria que produz desempenho vitalício que, pela primeira vez, estabelece que os circuitos orgânicos podem ser tão estáveis ​​quanto os dispositivos produzidos com tecnologias inorgânicas convencionais, "disse Bernard Kippelen, o professor Joseph M. Pettit na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação (ECE) da Georgia Tech e diretor do Centro de Fotônica Orgânica e Eletrônica (COPE) da Georgia Tech. "Este pode ser o ponto de inflexão para transistores de filme fino orgânico, abordando preocupações de longa data sobre a estabilidade dos dispositivos de impressão de base orgânica. "

A pesquisa será publicada no dia 12 de janeiro na revista. Avanços da Ciência . A pesquisa é o culminar de 15 anos de desenvolvimento dentro do COPE e foi apoiada por patrocinadores, incluindo o Office of Naval Research, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, e a Administração Nacional de Segurança Nuclear.

Os transistores são compostos por três eletrodos. A fonte e os eletrodos de drenagem passam a corrente para criar o estado "ligado", mas apenas quando uma tensão é aplicada ao eletrodo da porta, que é separado do material semicondutor orgânico por uma fina camada dielétrica. Um aspecto único da arquitetura desenvolvida na Georgia Tech é que esta camada dielétrica usa dois componentes, um fluoropolímero e uma camada de óxido metálico.

“Quando desenvolvemos esta arquitetura pela primeira vez, esta camada de óxido de metal era óxido de alumínio, que é suscetível a danos por umidade, "disse Canek Fuentes-Hernandez, um cientista pesquisador sênior e co-autor do artigo. "Trabalhando em colaboração com o professor Samuel Graham da Georgia Tech, desenvolvemos barreiras nanolaminadas complexas que poderiam ser produzidas em temperaturas abaixo de 110 graus Celsius e que, quando usadas como dielétrico de porta, permitiu que os transistores permanecessem imersos em água perto de seu ponto de ebulição. "

A nova arquitetura da Georgia Tech usa camadas alternadas de óxido de alumínio e óxido de háfnio - cinco camadas de uma, em seguida, cinco camadas da outra, repetido 30 vezes no topo do fluoropolímero - para fazer o dielétrico. As camadas de óxido são produzidas com deposição de camada atômica (ALD). O nanolaminado, que acaba tendo cerca de 50 nanômetros de espessura, é virtualmente imune aos efeitos da umidade.

"Embora soubéssemos que essa arquitetura produzia boas propriedades de barreira, ficamos maravilhados com a estabilidade dos transistores com a nova arquitetura, "disse Fuentes-Hernandez." O desempenho desses transistores permaneceu praticamente inalterado mesmo quando os operamos por centenas de horas e em temperaturas elevadas de 75 graus Celsius. Este foi de longe o transistor de base orgânica mais estável que já havíamos fabricado. "

Para a demonstração de laboratório, os pesquisadores usaram um substrato de vidro, mas muitos outros materiais flexíveis - incluindo polímeros e até papel - também poderiam ser usados.

No laboratório, os pesquisadores usaram técnicas de crescimento ALD padrão para produzir o nanolaminado. Mas os processos mais novos, conhecidos como ALD espacial - utilizando vários cabeçotes com bicos que fornecem os precursores - podem acelerar a produção e permitir que os dispositivos sejam aumentados em tamanho. "ALD agora atingiu um nível de maturidade em que se tornou um processo industrial escalável, e achamos que isso permitirá uma nova fase no desenvolvimento de transistores orgânicos de filme fino, "Kippelen disse.

Uma aplicação óbvia é para os transistores que controlam pixels em telas emissoras de luz orgânica (OLEDs) usados ​​em dispositivos como o iPhone X e telefones Samsung. Esses pixels agora são controlados por transistores fabricados com semicondutores inorgânicos convencionais, mas com a estabilidade adicional fornecida pelo novo nanolaminado, eles poderiam talvez ser feitos com transistores de filme fino orgânico para impressão.

Os dispositivos de Internet das coisas (IoT) também podem se beneficiar da fabricação habilitada pela nova tecnologia, permitindo a produção com impressoras jato de tinta e outros processos de impressão e revestimento de baixo custo. A técnica de nanolaminado também pode permitir o desenvolvimento de dispositivos baratos baseados em papel, como tíquetes inteligentes, que usaria antenas, displays e memória fabricados em papel por processos de baixo custo.

Mas as aplicações mais dramáticas podem ser em visores flexíveis muito grandes que podem ser enrolados quando não estão em uso.

"Teremos melhor qualidade de imagem, tamanho maior e melhor resolução, "Kippelen disse." À medida que essas telas ficam maiores, o formato rígido dos monitores convencionais será uma limitação. A tecnologia à base de carbono de baixa temperatura de processamento permitirá que a tela seja enrolada, tornando-o fácil de transportar e menos suscetível a danos.

Para sua demonstração, A equipe de Kippelen - que também inclui Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang e Youngrak Park - usaram um modelo de semicondutor orgânico. O material tem propriedades bem conhecidas, mas com valores de mobilidade de portadora de 1,6 cm2 / Vs não é o mais rápido disponível. Como uma próxima etapa, Os pesquisadores gostariam de testar seu processo em semicondutores orgânicos mais novos que fornecem maior mobilidade de carga. Eles também planejam continuar testando o nanolaminado sob diferentes condições de dobra, em períodos de tempo mais longos, e em outras plataformas de dispositivos, como fotodetectores.

Embora os eletrônicos baseados em carbono estejam expandindo as capacidades de seus dispositivos, materiais tradicionais como o silício não têm nada a temer.

"Quando se trata de altas velocidades, materiais cristalinos como silício ou nitreto de gálio certamente terão um futuro brilhante e muito longo, "disse Kippelen." Mas para muitas aplicações impressas futuras, uma combinação do mais recente semicondutor orgânico com maior mobilidade de carga e dielétrico de porta nanoestruturada fornecerá uma tecnologia de dispositivo muito poderosa. "