p Um dielétrico de porta nanoestruturada pode ter abordado o obstáculo mais significativo para expandir o uso de semicondutores orgânicos para transistores de filme fino. 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. p 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.

p "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 os transistores de filme fino orgânico, abordando preocupações de longa data sobre a estabilidade dos dispositivos de impressão de base orgânica. "

p A pesquisa foi relatada em 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.

p 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.

p “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 podem 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. "

p 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.

p "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. "

p 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.

p 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.

p 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.

p 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.

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

p “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.

p 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.

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

p "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. "