Współpraca naukowców ze Stanford University oraz University of Nebraska-Lincoln (UNL) przyniosła owoc w postaci cienkowarstwowych, organicznych tranzystorów o rekordowej ruchliwości elektronów. Specjalna metoda nakładania polimerowego półprzewodnika może stanowić potencjalną podstawę do budowy tanich, cienkich, przezroczystych, wydajnych, “plastikowych” wyświetlaczy.
Rozwój elektroniki bazującej na półprzewodnikach organicznych jest obecnie bardzo zauważalny i aktywny. Od lat inżynierowie z całego świata próbują konstruować organiczne półprzewodniki przy użyciu niedrogich, bogatych w węgiel molekuł tworzyw sztucznych. Budowane urządzenia to przede wszystkim cienkowarstwowe diody świecące, niezbyt wydajne ogniwa fotowoltaiczne, czy organiczne tranzystory polowe. Pomimo tego, posiadające zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego organiczne tranzystory nie mogły zbliżyć się do poziomu ruchliwości elektronów (10 – 1000 cm2/Vs [4]) w bardziej kosztownych technologiach opartych na krzemie. Określenie “organiczny” zarezerwowane dawniej tylko dla związków wytwarzanych przez organizmy żywe jest od pewnego czasu rozszerzone również na substancje syntetyczne oparte na atomach węgla (obejmuje także tworzywa sztuczne).
Półprzewodniki organiczne posiadają wiele zalet, m.in. są bardzo elastyczne, tanie, lekkie oraz łatwe w fabrykacji i osadzaniu na różnych podłożach (np. szkło, polimery), na dużych powierzchniach i w niskich temperaturach (<100°C). Niestety, największym problemem konwencjonalnych urządzeń tego typu jest niska ruchliwość elektronów, co przekłada się m.in. na słabe przewodzenie. Spowodowane jest to rozpraszaniem elektronów na granicach ziaren w strukturze krystalicznej. W kolejnej edycji czasopisma Nature Communications wydanej 8 stycznia 2014 roku, naukowcy ze Stanów Zjednoczonych zademonstrowali zmodyfikowany sposób tworzenia cienkowarstwowych tranzystorów organicznych, o właściwościach porównywalnych do cech nowoczesnych, zakrzywionych ekranów opartych na technologii krzemowej. Według autorów nowatorska metoda produkcji sprawia, że organiczne tranzystory są przynajmniej pięć razy szybsze od swoich poprzedników budowanych w tej eksperymentalnej technice.
Zespoły badawcze pod kierunkiem profesor inżynierii chemicznej Zhenan Bao zwiększyły ruchliwość elektronów przez zmianę podstawowych procesów wytwarzania. Tradycyjna metoda fabrykacji polega na powlekaniu obracającej się płaskiej powierzchni ze szkła lub tworzywa sztucznego cienką, przewodzącą warstwą polimerową (z ang. spin coating). W opublikowanym artykule naukowcy opisali dwie ważne zmiany – po pierwsze zwiększyli prędkość obrotową talerza, a po drugie zmniejszyli rozmiar pokrywanej powierzchni, na obszar odpowiadający wymiarom znaczka pocztowego. Badacze stworzyli metastabilne struktury z mieszaniny roztworu o handlowej nazwie C8-BTBT oraz polistyrenu (z ang. polystyrene, PS), który pełnił rolę izolacyjną. Za pomocą pozacentralnego powlekania wirowego OCSC (z ang. off-centre spin-coating) inżynierowie osadzili na wirującym talerzu cienką warstwę przewodzącej mieszaniny C8-BTBT:PS. Analiza wykazała wzrost dużych krystalicznych domen w kierunku promieniowym. Wprowadzone innowacje wpłynęły na zwiększenie gęstości upakowania cząsteczek organicznych oraz na ich regularne dopasowanie. Rezultatem było uzyskanie rekordowej mobilności ładunków elektrycznych podróżujących przez organiczny tranzystor. Zanotowano ruchliwość elektronów na poziomie 43 cm2/Vs, przy średniej pomiarowej wynoszącej 25 cm2/Vs. Sporadycznie obserwowano także bardzo wysoką mobilność o wartości 100 cm2/Vs. Powstałe tranzystory wykazywały wysoką przezroczystość (co najmniej 90%) w stosunku do światła widzialnego.
Naukowcy nie potrafią jeszcze precyzyjnie kontrolować wszystkich warunków eksperymentalnego procesu. Twórcy przewidują, że dalsze udoskonalenia metody mogą prowadzić do rozwoju nowej generacji tanich, elastycznych, wydajnych, zbudowanych na przezroczystych podłożach wyświetlaczy z tworzyw sztucznych.
Źródło:
[1] Yongbo Yuan, Gaurav Giri, Alexander L. Ayzner, Arjan P. Zoombelt, Stefan C. B. Mannsfeld, Jihua Chen, Dennis Nordlund, Michael F. Toney, Jinsong Huang, Zhenan Bao. Ultra-high mobility transparent organic thin film transistors grown by an off-centre spin-coating method. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4005
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140108/ncomms4005/full/ncomms4005.html [09.01.2014]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2014/140108/ncomms4005/extref/ncomms4005-s1.pdf [09.01.2014]
[4] http://www.labfiz2p.if.pw.edu.pl/ins/Cwiczenie_nr_12.pdf [09.01.2014]
[5] http://engineering.stanford.edu/news/engineers-make-world%E2%80%99s-fastest-organic-transistor-heralding-new-generation-see-through-electron [09.01.2014]
[6] Samsung flexible AMOLED screens displayed at Pepcom by Brian Bilek, flickr.com, CC BY-SA 2.0