Geminiaturiseerde organische halfgeleiders maken next-gen flexibele elektronica mogelijk

Field Effect Transistors (FET's) zijn de kernbouwstenen van moderne elektronica zoals geïntegreerde circuits, computer-CPU's en display-backplanes. Organische Field Effect Transistors (OFET's) hebben het voordeel flexibel te zijn vergeleken met hun anorganische tegenhangers zoals silicium.

Potentieel voor draagbare en medische toepassingen

OFET's, gegeven hun hoge gevoeligheid, mechanische flexibiliteit, biocompatibiliteit, instelbare eigenschappen en lage fabricagekosten, hebben groot potentieel in nieuwe toepassingen zoals draagbare elektronica, conformale gezondheidsmonitoring-sensoren en buigbare displays. Denk aan TV-schermen die opgerold kunnen worden; of slimme draagbare elektronische apparaten en kleding dicht bij het lichaam om vitale lichaamssignalen te verzamelen voor direct biofeedback; of mini-robots gemaakt van onschadelijke organische materialen die inside het lichaam werken voor ziekte diagnostiek, gerichte medicijntransport, mini-operaties en andere medische toepassingen.

Doorbraak in miniaturisatie

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 qua productflexibiliteit en duurzaamheid.

Een engineeringteam geleid dr. Paddy Chan Kwok Leung aan de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Hongkong (HKU) heeft een belangrijke doorbraak geboekt door het ontwikkelen van een gestaggreerde structuur monolag Organische Field Effect Transistor, wat de grootte van OFET's aanzienlijk zal helpen reduceren.

Contactweerstand als grootste uitdaging

Het grootste probleem dat wetenschappers tegenkomen bij het verkleinen van OFET's is dat de prestaties van de transistor aanzienlijk dalen met een reductie in grootte. Dit is deels te wijten aan het probleem van contactweerstand – weerstand aan de interfaces – die de stroomflow weerstaat. Wanneer het apparaat kleiner wordt, wordt de contactweerstand een dominanter factor die de prestaties van het apparaat aanzienlijk degradeert.

De gestaggreerde structuur monolag OFET's demonstreren een recordlage genormaliseerde contactweerstand van 40 Ω-cm vergeleken met conventionele apparaten die een contactweerstand van 1000 Ω-cm hebben. Het nieuwe apparaat kan 96% van de energiedissipatie aan de interface besparen, wat de warmteproductie in het systeem vermindert, een veelvoorkomend probleem dat halfgeleiders doet falen. Dat ziet erop toe dat de dimensies van OFET's kunnen worden gereduceerd tot de sub-micrometerschaal, een niveau compatibel met hun anorganische tegenhangers, terwijl ze nog steeds effectief functioneren en hun unieke organische eigenschappen vertonen. „Dit is cruciaal om te voldoen aan de eisen voor commercialisatie,” aldus dr. Chan.

Verbeterde signaal-ruisverhouding

Deze OFET's hebben ook een verbeterde signaal-ruisverhouding, wat hen in staat stelt zwakke signalen te detecteren die eerder niet gedetecteerd konden worden met conventionele blote elektrodes voor sensing.

Flexibele OFET's zouden traditionele starre apparaten zoals displaypanelen, computers en mobiele telefoons kunnen transformeren, waardoor ze flexibel en vouwbaar worden. Deze toekomstige apparaten zouden ook veel lichter in gewicht zijn en lage productiekosten hebben.

„Bovendien, gegeven hun organische aard, zijn ze waarschijnlijk biocompatibel voor geavanceerde medische toepassingen zoals sensoren voor het volgen van hersenactiviteit of neurale piekdetectie, en in nauwkeurige diagnostiek van hersenverwante ziekten zoals epilepsie.” Dr. Chan voegde toe.

Toekomstige integratie in neurale probes

Dr. Chan's team werkt momenteel samen met onderzoekers van de HKU Faculteit Geneeskunde en biomedische engineering experts aan CityU om de geminiaturiseerde OFET's te integreren in een flexibel circuit op een polymere microprobe voor neurale piekdetectie in-vivo op een muizenhersenen onder verschillende externe stimulaties. Ze plannen ook de OFET's te integreren in chirurgische hulpmiddelen zoals katheters, die in dierenhersenen kunnen worden geïmplanteerd voor directe sensing van hersenactiviteit om afwijkingen te lokaliseren.