La nanoestructura augmenta l'estabilitat dels transistors orgànics

Una porta nanoestructurada dielèctrica podria haver abordat l'obstacle més important per extendre l'ús de semiconductors orgànics per a transistors de pel·lícules primes. L'estructura, composta per una capa de fluoropolímer seguit d'un nanolaminat fabricat a partir de dos materials d'òxid metàl·lic, serveix com porta dielèctrica i protegeix simultàniament el semiconductor orgànic i permet que els transistors funcionin sense precedents d'estabilitat.

La nova estructura proporciona estabilitat als transistors de pel·lícula prima comparables als fabricats amb materials inorgànics, cosa que els permet operar en condicions ambientals, fins i tot sota l'aigua. Els transistors orgànics de pel·lícules primes es poden fer a baixa temperatura amb baix cost en una varietat de substrats flexibles que utilitzen tècniques com la impressió d'injecció de tinta, que poden obrir noves aplicacions que aprofiten els processos de fabricació additius i senzills.
Aquesta investigació és la culminació de 15 anys de desenvolupament dins del Centre de Fotònica i Electrònica Orgànica (COPE) i va ser recolzat per patrocinadors, incloent l'Oficina d'Investigació Naval, l'Oficina d'Investigació Científica de les Forces Aèries i la Administració Nacional de Seguretat.
Els transistors tenen tres elèctrodes. Els elèctrodes d'origen i de desguàs passen per crear l'estat on, però només quan s'aplica un voltatge a l'elèctrode de la porta, que està separat del material semiconductor orgànic per una fina capa dielèctrica. Un aspecte únic de l'arquitectura desenvolupada a Geòrgia Tech és que aquesta capa dielèctrica utilitza dos components, un fluoropolímer i una capa d'òxid de metall.
La nova arquitectura de Geòrgia Tech utilitza capes alternes d'òxid d'alumini i òxid de hafni: cinc capes, repetides 30 vegades al cim del fluoropolímer, per fer el dielèctric. Les capes d'òxid es produeixen amb deposició de capa atòmica (ALD). El nanolaminat, que acaba en uns 50 nanòmetres de gruix, és pràcticament immune als efectes de la humitat.

Per a la demostració de laboratori, els investigadors van utilitzar un substrat de vidre, però també es podrien utilitzar molts altres materials flexibles, inclosos els polímers i, fins i tot, el paper.
Al laboratori, els investigadors van utilitzar tècniques de creixement estàndard d'ALD per produir el nanolaminat. Tanmateix, els processos més nous anomenats ALD espacial, podrien accelerar la producció i permetre que els dispositius es redueixin a la mida.
Una aplicació òbvia és per als transistors que controlen píxels en pantalles orgàniques que emeten llum (OLED) que s'utilitzen en dispositius com els telèfons iPhone X i Samsung. Aquests píxels són ara controlats per transistors fabricats amb semiconductors inorgànics convencionals, però amb l'estabilitat addicional proporcionada pel nou nanolaminat, potser es podrien fer amb transistors orgànics imprimibles de pel·lícula fina.
Els dispositius d'Internet of Things (IoT) també podrien beneficiar-se de la fabricació habilitada per la nova tecnologia, permetent la producció amb impressores d'injecció de tinta i altres processos d'impressió i recobriment de baix cost. La tècnica de nanolaminat també podria permetre el desenvolupament de dispositius a base de paper barats, com ara entrades intel·ligents, que usarien antenes, pantalles i memòria fabricades en paper a través de processos de baix cost.

Però les aplicacions més espectaculars, podrien ser en pantalles flexibles molt grans que es podrien enrotllar quan no s'utilitzin. Per a la seva demostració, l'equip de Kippelen, que també inclou Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang i Youngrak Park, va utilitzar un semiconductor orgànic com a model. El material té propietats conegudes, però amb valors de mobilitat de transportista d'1,6 cm2/V no és el més ràpid disponible. Com a pas següent, els investigadors volen provar el seu procés en semiconductors orgànics més nous que proporcionen una major mobilitat de càrrega. També planegen continuar provant el nanolaminat en diferents condicions de flexió, a través de períodes de temps més llargs, i en altres plataformes de dispositius, com ara fotodetectors.
Tot i que l'electrònica basada en el carboni està ampliant les capacitats del dispositiu, els materials tradicionals com el silici no tenen res a témer.

Font: Georgia Insititute of Technology