Nieuwe geminiaturiseerde organische halfgeleider ondersteunt flexibele elektronische apparaten

Field Effect Transistors (FET) zijn de belangrijkste bouwstenen van moderne elektronica, zoals geïntegreerde schakelingen, computer-CPU's en backplanes voor beeldschermen. Organische veldeffecttransistoren (OFET's) hebben het voordeel dat ze flexibel zijn in vergelijking met hun anorganische tegenhangers zoals silicium.

OFET's hebben, gezien hun hoge gevoeligheid, mechanische flexibiliteit, biocompatibiliteit, afstembaarheid van eigenschappen en lage fabricagekosten, een groot potentieel in nieuwe toepassingen zoals draagbare elektronica, conforme gezondheidsbewakingssensoren en buigbare displays. Stel je tv-schermen voor die opgerold kunnen worden; of slimme draagbare elektronische apparaten en kleding die dicht bij het lichaam wordt gedragen om vitale lichaamssignalen te verzamelen voor directe biofeedback; of minirobots gemaakt van onschadelijke organische materialen die in het lichaam werken voor ziektediagnose, gericht medicijntransport, mini-operaties en andere medische toepassingen.

Tot nu toe was de belangrijkste beperking voor verbeterde prestaties en massaproductie van OFET's de moeilijkheid om ze te miniaturiseren. Producten die OFET's gebruiken die momenteel op de markt zijn, zijn beperkt in termen van productflexibiliteit en duurzaamheid.

Een technisch team onder leiding van Dr. Paddy Chan Kwok Leung van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU) heeft een belangrijke doorbraak bereikt in de ontwikkeling van een monolaag organische veldeffecttransistor met verspringende structuur, die het verkleinen van de OFET's.

Het grootste probleem waarmee wetenschappers worden geconfronteerd bij het verkleinen van OFET's, is dat de prestaties van de transistor aanzienlijk afnemen bij een kleinere omvang. Dit is gedeeltelijk te wijten aan het probleem van de contactweerstand - weerstand aan de interfaces - die weerstand biedt aan stroomstromen. Wanneer het apparaat kleiner wordt, wordt de contactweerstand een dominante factor bij het aanzienlijk verlagen van de prestaties van het apparaat.

De OFET's met verspringende structuur vertonen een record lage genormaliseerde contactweerstand van 40 -cm vergeleken met conventionele apparaten met een contactweerstand van 1000 Ω-cm. Het nieuwe apparaat kan 96% van de vermogensdissipatie op de interface besparen, waardoor de warmte die in het systeem wordt gegenereerd, wordt verminderd, een veelvoorkomend probleem dat ervoor zorgt dat halfgeleiders defect raken. Dat zal op zijn beurt het mogelijk maken om de afmetingen van OFET's te verminderen tot de submicrometerschaal, een niveau dat compatibel is met hun anorganische tegenhangers, terwijl ze nog steeds effectief functioneren om hun unieke organische eigenschappen te vertonen. "Dat is van cruciaal belang om te voldoen aan de vereisten voor commercialisering," zei Dr. Chan.

Deze OFET's hebben ook een verbeterde signaal-ruisverhouding, waardoor ze zwakke signalen kunnen detecteren die voorheen niet konden worden gedetecteerd met conventionele kale elektroden voor detectie.

Flexibele OFET's kunnen traditionele onbuigzame apparaten zoals beeldschermen, computers en mobiele telefoons transformeren, waardoor ze flexibel en opvouwbaar kunnen worden. Deze toekomstige apparaten zouden ook veel lichter zijn en lage productiekosten hebben.

"Bovendien zijn ze, gezien hun organische aard, waarschijnlijk biocompatibel voor geavanceerde medische toepassingen zoals sensoren voor het volgen van hersenactiviteit of neurale piekdetectie, en voor nauwkeurige diagnose van hersengerelateerde ziekten zoals epilepsie." Dr. Chan toegevoegd.

Het team van Dr. Chan werkt momenteel samen met onderzoekers van de HKU-faculteit Geneeskunde en biomedische ingenieursexperts bij CityU om de geminiaturiseerde OFET's te integreren in een flexibel circuit op een polymeermicrosonde voor neurale spikedetectie in-vivo op een muizenbrein onder verschillende externe stimulaties. Ze zijn ook van plan om de OFET's te integreren in chirurgische instrumenten zoals katheters, die in de hersenen van dieren kunnen worden ingebracht voor directe detectie van hersenactiviteit om afwijkingen te lokaliseren.