纳米栅介质提高有机薄膜晶体管的稳定性
纳米结构的栅介质可能已经解决了扩大有机半导体薄膜晶体管使用的最大障碍。的结构，由一个含氟聚合物层随后由两金属氧化物材料nanolaminate，作为栅介质，同时保护了以前一直容易受到周围环境的–破坏有机半导体–使晶体管工作前所未有的稳定性。
这种新结构使薄膜晶体管的稳定性与无机材料相媲美，使它们能够在环境条件下工作——甚至在水下。有机薄膜晶体管可以在低温下在各种柔性衬底上使用喷墨打印等技术制造，有可能利用简单的、附加的制造工艺打开新的应用程序。
“我们已经证明了一个几何产生寿命性能，首次建立了有机电路可以与传统的无机技术生产设备稳定，” ；Bernard Kippelen，在佐治亚理工学院的Joseph M. Pettit教授 ；电气和计算机工程学院（ECE） ；主任佐治亚理工学院的 ；有机光子学研究中心和电子 ；（应对）。“这可能是有机薄膜晶体管的引爆点，解决了人们对有机基印刷设备稳定性的长期担忧。”；
这项研究发表在1月12日的《科学进步》杂志上。这项研究是15年内发展的高潮，得到了包括海军研究办公室、空军科研办公室和国家核安全局在内的赞助者的支持。
晶体管由三个电极组成。源极和漏极通过电流产生“通”态，但只有当施加电压到栅电极上时，栅电极与有机半导体材料通过薄介电层分离。佐治亚理工学院开发的这种体系结构的独特之处在于，这种介电层使用了两种成分，一种含氟聚合物和一种金属氧化物层；
“当我们第一次开发了这个结构，该金属氧化物层是铝的氧化物，这是容易损坏的湿度，”Canek Fuentes Hernandez说，高级研究科学家合著的论文。“在与佐治亚理工学院的Samuel Graham教授合作，我们开发了复杂的nanolaminate障碍可在低于110摄氏度的温度下产生的，当作为栅介质，使晶体管保持沉浸在沸点附近水。” ；
新乔治岛科技建筑使用交替的氧化铝和氧化铪层，一层五层，另一层五层，在含氟聚合物的上面重复30次，制造电介质。氧化物层是用原子层沉积（ALD）产生的。nanolaminate，最终为约50纳米厚，是几乎不受湿度的影响。 ； ；
Fuentes Hernandez说：“虽然我们知道这种结构产生了良好的阻隔性能，但我们却被晶体管与新体系结构的稳定程度所抵消。”。“这些晶体管的性能几乎保持不变，即使我们运行数百小时，在75摄氏度的高温下运行。这是迄今为止我们制造的最稳定的有机晶体管。”
在实验室演示中，研究人员使用了玻璃基板，但也可以使用许多其他柔性材料，包括聚合物，甚至纸；
在实验室中，研究人员使用标准的ALD生长技术产生nanolaminate。但新的流程称为空间ALD -利用多个喷头提供前驱物-可以加速生产，并允许设备规模扩大。“ALD已达到一定的成熟度，它已成为一个可扩展的工业过程，我们认为这将允许在有机薄膜晶体管的一个新的发展阶段，”Kippelen说。
一个明显的应用是用于控制在诸如iPhone和三星手机这样的设备中使用的有机发光显示器（OLED）中的像素的晶体管。这些像素现在与传统无机半导体制造的晶体管控制的，但通过新的nanolaminate提供额外的稳定性，他们也许可以与印刷有机薄膜晶体管代替。
物联网设备也可以得益于新技术的制造，允许喷墨打印机和其他低成本印刷和涂布工艺的生产。nanolaminate技术还可以使廉价的纸基器件的发展，如智能门票，将天线、显示和存储通过低成本制作过程。 ；
但最引人注目的应用可能是非常大的柔性显示器，在不使用时可以卷起。
“我们将得到更好的图像质量，更大的尺寸和更高的分辨率，”Kippelen说。随着这些屏幕越来越大，传统显示器的刚性外形将是一个限制。低加工温度的碳基技术将使屏幕被卷起来，便于携带，不易损坏；
他们的论证，Kippelen的团队–还包括萧佳佳、程银望和youngrak公园–用模型有机半导体。该材料具有众所周知的性能，但载流子迁移率值为1.6平方厘米/ Vs不是最快的可用性。作为下一步，他们希望在新的有机半导体上提供更高的电荷迁移率来测试它们的过程。他们还计划继续测试nanolaminate不同弯曲的条件下，在较长的时间段，和其他设备平台如光电探测器。
虽然碳基电子产品正在扩大其设备能力，但像硅这样的传统材料没有什么可担心的。
“当谈到高速度、晶体材料如硅或氮化镓肯定会有一个光明的和很长的未来，”Kippelen说。但是，对于许多未来的印刷应用，结合最新的有机半导体具有更高的电荷迁移率和纳米结构的栅极介电将提供一个非常强大的设备技术。