Un team di ricerca internazionale è riuscito a produrre su un film polimerico il primo transistor organico flessibile al mondo sufficientemente robusto durante il processo di sterilizzazione medica ad alta temperatura. Lo studio sarà pubblicato online in Comunicazioni sulla natura il 6 marzo 2012.

In una società che invecchia gravemente con un tasso di natalità in declino, l'elettronica sta aumentando la sua importanza nell'area sanitaria e medica man mano che vengono introdotti sempre più dispositivi IT. Su questo sfondo, un'aspettativa sta diventando più alta su un transistor organico, che è un interruttore elettronico morbido. Un transistor organico flessibile può essere facilmente prodotto su un film polimerico biocompatibile, e questo è il motivo per cui ci si aspetta di adottarlo a un monitor sanitario indossabile senza stress, e/o dispositivi impiantabili come un pacemaker morbido. Per l'attuazione pratica, è fondamentale (1) sfruttare al meglio la sua morbidezza e biocompatibilità, contemporaneamente (2) per diminuire la tensione di pilotaggio fino a pochi V, e (3) ridurre il rischio di infezioni mediante sterilizzazione, per un motivo di sicurezza. Fino ad ora, però, i transistor organici esistenti avevano enormi ostacoli all'uso pratico in campo medico e sanitario. Per esempio, La tensione di pilotaggio tipica per i display è alta (cioè da 20 a 80 V) e/o e non è durevole con la sterilizzazione ad alta temperatura.

Il team è riuscito a produrre su un film polimerico un transistor organico che ha un'elevata stabilità termica e una tensione di pilotaggio di 2V allo stesso tempo. Il nuovo tipo di transistor organico può essere sterilizzato in un processo di sterilizzazione standard (trattamento termico a 150 °C) senza deteriorarsi nelle sue prestazioni elettriche. La chiave per realizzare transistor organici resistenti al calore è nella tecnica di formatura di un film isolante ultrasottile:il team sviluppa una tecnica per formare film monostrato autoassemblati (SAM) straordinariamente densi, il cui spessore è di appena 2 nanometri, su un film polimerico. Ciò consente loro di elevare la temperatura del substrato fino a 150 ° C senza creare fori attraverso i film SAM durante il trattamento ad alta temperatura. Si ritiene che il film monostrato ultrasottile come il SAM si degradi facilmente mediante processi termici; però, è inaspettatamente dimostrato che SAM densamente imballato è stabile a 150 ° C o superiore. Questo risultato è dimostrato anche dalla caratterizzazione sistematica delle strutture cristallografiche di SAM utilizzando un fascio di radiazione di sincrotrone. Per di più, adottando un nuovo strato di incapsulamento comprendente materiali compositi organici/metallici e semiconduttori organici estremamente stabili termicamente e ad alta mobilità, la stabilità termica dei transistor organici è ora migliorata fino a 150 °C.

Dovrebbe trarre maggiore vantaggio dall'applicazione di questo transistor organico resistente al calore a dispositivi impiantabili a lungo termine, o ad alcuni dispositivi medici come un catetere intelligente. Con queste applicazioni, si prevede di ampliare l'utilizzo del transistor agli apparati medici come il sensore a film sottile che rileverà i tumori, infiammazioni, eo tumori.

Il team internazionale è guidato dal Dr. Takao Someya, che è un professore dell'Università di Tokyo (Presidente:Jyunichi Hamada, dottorato di ricerca), un direttore di ricerca dell'ERATO (Exploratory Research for Advanced Technology) "Someya Bio-Harmonized Electronics Project" della Japan Science and Technology Agency (JST, Presidente:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), e uno studioso globale della Princeton University (Presidente:Shirley M. Tilghman, dottorato di ricerca), in collaborazione con il Professore Associato Tsuyoshi Sekitani dell'Università di Tokyo e il Professor Yueh-Lin (Lynn) Loo dell'Università di Princeton. Questo progetto di ricerca congiunto è stato realizzato anche con le seguenti istituzioni:Max Planck Institute for Solid State Research, Germania, Istituto nazionale di standard e tecnologia, NIST, NOI., Università di Hiroshima, e Nippon Kayaku Co., Giappone.

In conseguenza di un grave calo della natalità e di una crescente proporzione di anziani, i dispositivi informatici (IT) sono rapidamente introdotti nell'area sanitaria e medica. Uno dei buoni esempi è la connessione Internet di un dispositivo sanitario tra la casa di un paziente e un ospedale. Internet ha permesso a un medico di monitorare le frequenze cardiache e i pesi della pazienza lontano da casa sua. La miniaturizzazione di apparecchiature mediche come gli endoscopi è riuscita a ridurre al minimo il carico e/o l'invasività dei pazienti. In questo modo, in campo medico e sanitario, l'elettronica sta aumentando di importanza. Infatti, nel mercato sanitario e medico, l'elettronica dovrebbe crescere del 120% ogni anno fino al 2015.

In questo sfondo, un transistor organico, che è un interruttore elettronico flessibile, attira molta attenzione perché è facilmente fabbricabile su un film polimerico biocompatibile. Un transistor organico biocompatibile sarebbe adatto per applicazioni a un sistema di monitoraggio della salute indossabile senza stress e dispositivi impiantabili come un pacemaker morbido. Per l'attuazione pratica, è fondamentale (1) sfruttare al meglio la sua morbidezza e biocompatibilità, contemporaneamente (2) per diminuire la tensione di pilotaggio fino a pochi V, e (3) ridurre il rischio di infezioni mediante sterilizzazione, per un motivo di sicurezza. Fino ad ora, però, i transistor organici esistenti avevano enormi ostacoli all'uso pratico in campo medico e sanitario. Per esempio, La tensione di pilotaggio tipica per i display è alta (cioè da 20 a 80 V) e/o e non è durevole con la sterilizzazione ad alta temperatura.

Il team è riuscito a produrre su un film polimerico un transistor organico che ha la prima termostabilità al mondo di 150 °C e contemporaneamente la sua tensione di pilotaggio di 2V. Le chiavi per realizzare il transistor organico resistente al calore sono (1) monostrato autoassemblato (SAM) e (2) un film sigillante, di cui parleremo in seguito. L'elevata stabilità termica che avevamo realizzato ha fatto esplodere la tipica teoria secondo cui un film monostrato ultrasottile di dimensioni nanometriche è facilmente influenzato dal calore. Questo risultato è stato dimostrato anche dall'analisi sistematica di precise caratterizzazioni cristallografiche utilizzando un fascio di radiazione di sincrotrone, che sarà descritto in (3) in dettaglio. Per di più, il transistor organico è stato sterilizzato con successo con un processo di sterilizzazione standard (trattamento termico a 150 °C) senza deteriorarsi elettricamente. Se ne parlerà in (4).

(1) Isolante per gate monostrato autoassemblato (SAM) altamente termostabile

Una tecnologia chiave per lo sviluppo di transistor organici sterilizzabili è il film monostrato autoassemblato (SAM) ultrasottile da 2 nm. Ridurre lo spessore di un film isolante di gate è noto come il modo efficace per ridurre la tensione di pilotaggio di un transistor organico. Per motivi di sicurezza, è necessario assottigliare un film isolante di gate a pochi nanometri di spessore per ridurre la tensione di pilotaggio fino a 2V. In passato, il team ha utilizzato la pellicola SAM per un isolante di gate. Hanno tentato di ottimizzare il processo di produzione di SAM dal punto di vista della resistenza al calore. Di conseguenza, migliorando sostanzialmente l'ordinamento cristallino di film SAM densamente imballati su un film polimerico, riescono a formare un film isolante che non crea forellini, la causa di una corrente di dispersione, anche sotto un alto trattamento termico. Ciò diventa possibile ottimizzando le condizioni del plasma durante il processo di formatura di film sottili di ossido di alluminio sopra il film polimerico, risultando in un modo per evitare che la pellicola venga danneggiata durante un processo al plasma.

(2) Uno strato di incapsulamento comprendente film compositi organici e metallici

Un miglioramento della stabilità termica di un isolante di gate SAM non è sufficiente per ottenere l'elevata stabilità termica di un transistor organico. Normalmente, i semiconduttori organici che compongono lo strato di canale nei transistor organici sono noti per essere facilmente degradati dal calore. In tal modo, un semiconduttore organico, accuratamente scelto tra materiali resistenti al calore, è dinaphtho-tieno-tiofene (DNTT) nell'esperimento. Per di più, dopo aver fabbricato un transistor organico, il transistor è completamente ricoperto da un flessibile, strato di incapsulamento resistente al calore comprendente film compositi organici e metallici (Figura 2). Lo strato di incapsulamento impedisce al DNTT di sublimarsi con il calore, e previene il deterioramento sostanziale degli elementi. Inoltre, è dimostrato che la caratteristica elettronica del transistor organico rimane praticamente invariata anche dopo essere stata immersa nell'acqua bollente.

(3) Caratterizzazione strutturale di film di spessore nanometrico mediante fasci di radiazione di sincrotrone

Vengono esaminate le strutture cristallografiche dei film SAM. Per essere precisi, il film isolante del cancello utilizzato nell'esperimento è costituito da due strati, vale a dire, Monostrato autoassemblato di ossido di alluminio da 4 nm e da 2 nm. La resistenza termica dell'ossido di alluminio è nota da tempo; però, non è stato pubblicato alcun rapporto su un'analisi strutturale sul film SAM, né un rapporto per dimostrare la stabilità strutturale del film SAM incorporato nei dispositivi ad alta temperatura. Ciò è dovuto alla difficoltà nell'analizzare la struttura di un film SAM così sottile con uno spessore di strato molecolare singolo utilizzando l'analisi a raggi X.

Il team ha tentato di caratterizzare con precisione le strutture cristallografiche di un film SAM per valutare la resistenza al calore di un transistor organico. Si noti che lo spessore di un film SAM è di appena 2 nanometri. Utilizzando un raggio di radiazione di sincrotrone, è dimostrato, per la prima volta, al meglio delle nostre conoscenze, che la struttura cristallografica di un film SAM mostra qualsiasi deterioramento nell'ordinamento molecolare anche a 150 ° C o temperature superiori. Questo risultato ha inaspettatamente rovesciato ciò che si credeva che un film monostrato ultrasottile di pochi nanometri di spessore dovesse degradarsi facilmente a causa del calore.

L'analisi è stata condotta insieme al professor Yueh-Lin (Lynn) Loo dell'Università di Princeton e a un gruppo del NIST, e viene utilizzato un raggio di radiazione di sincrotrone al Brookhaven National Laboratory.

(4) La creazione di elettronica flessibile medica

I transistor organici ad alta termostabilità possono essere sterilizzati senza deteriorarsi elettricamente. Il team ha valutato la resistenza al calore degli elementi per tre diversi processi di sterilizzazione per riscaldamento standard ampiamente utilizzati per sterilizzare gli apparecchi medici:(1) un trattamento termico a una temperatura di 150 °C per 20 secondi a pressione atmosferica, (2) un trattamento termico a 2 pressioni atmosferiche, 121 °C per 20 secondi, e (3) una sterilizzazione mediante bollitura.

Primo, la stabilità termica del transistor organico prodotto è migliorata dal processo di ricottura a 160 ° C, che è leggermente superiore alla temperatura di ricottura tipica per la sterilizzazione. Secondo, i batteri vengono coltivati ​​sul suddetto transistor. Finalmente, il numero di batteri e le caratteristiche elettriche vengono misurate prima e dopo il processo di sterilizzazione medica. Di conseguenza, quasi tutti i batteri sono morti dopo la sterilizzazione; però, le caratteristiche elettriche del transistor sono praticamente invariate (livello trascurabile).

A differenza dei materiali inorganici convenzionali, i transistor organici sono in grado di realizzare dispositivi elettronici leggeri e meccanicamente flessibili, poiché possono essere costruiti su film polimerico mediante una lavorazione a bassa temperatura. I transistor organici possono essere prodotti anche attraverso il processo di stampa:ciò ha consentito una drastica riduzione dei costi quando si realizzano transistor di grandi dimensioni, rispetto a quelli realizzati con il silicio. Una delle principali applicazioni di guida per i transistor organici è l'e-paper. Fino ad ora, Someya e i suoi collaboratori hanno studiato a fondo l'applicazione dei transistor organici a sensori o attuatori di grandi aree. Il team ha dimostrato la fattibilità dell'implementazione di transistor organici nell'elettronica di grandi dimensioni. Una serie dei loro successi include un robot e-skin (2003), uno scanner a fogli (2004), un display braille ultrasottile (2005), un foglio di trasmissione di potenza wireless (2006), una scheda di comunicazione (2007), un foglio ad ultrasuoni (2008), una memoria flash (2009).

Recentemente, i transistor organici sono desiderati per essere implementati in dispositivi medici e sanitari a causa della loro biocompatibilità. Però, è indispensabile che tali dispositivi siano sterilizzati. Perciò, è stato richiesto che quei circuiti organici costruiti su film plastici fossero stabili attraverso il trattamento termico, e che sono pilotati a bassa tensione.

Someya e i suoi colleghi sono riusciti a realizzare un transistor organico che rimane inalterato dopo il riscaldamento fino a 150 °C nel 2004. Tuttavia, un polimero organico spesso utilizzato come film isolante ha causato un'elevata tensione di pilotaggio, ed era il motivo per cui non si adattava all'uso bio/medico. Il team aveva tentato di costruire alcuni materiali organici/inorganici di pochi nm su un film plastico utilizzando un autoassemblaggio molecolare, e hanno finalmente dimostrato per la prima volta la fattibilità della resistenza al calore del film SAM.

Nell'ultimo anno, hanno inventato una nuova elettronica medica chiamata "un catetere intelligente" utilizzando la tecnica del transistor organico flessibile:il nuovo catetere stretto è coperto da una rete di sensori di pressione (pubblicato in Materiali della natura , Regno Unito nel 2010). Era inevitabile sviluppare un transistor organico termostabile in modo che il nuovo catetere potesse essere utilizzato praticamente negli ospedali. Alla fine hanno superato la barriera.

I transistor organici sono meccanicamente flessibili e presumibilmente biocompatibili poiché sono realizzati con materiali elettronici organici morbidi come i semiconduttori organici. Le applicazioni interessanti che dovrebbero essere realizzate da transistor organici biocompatibili flessibili includono "un'elettronica indossabile" che legge le bio-informazioni dall'esterno di una pelle, o "un'elettronica impiantabile" che estrae direttamente le bioinformazioni impiantando l'elettronica in un corpo. Infatti, Someya e il suo collega hanno anche pensato di applicare l'elettronica organica ultraflessibile per coprire un catetere stretto. Questo apre una nuova strada allo sviluppo di un sensore a film sottile che rileva i tumori, infiammazioni, tumori precoci. L'invenzione amplierà sicuramente l'uso dei transistor organici come dispositivi medici. Poiché una flessibilità, un'ampia copertura, e una stabilità elettrica sono indispensabili per la realizzazione di questi dispositivi medici, la presente invenzione servirà come tecnologia di base per lo sviluppo dei futuri dispositivi medici.

Fino a questo punto, display e celle solari sono state considerate le principali applicazioni trainanti dei dispositivi organici. I display EL organici e le celle solari flessibili organiche vengono implementati rapidamente. Però, sono solo un assaggio delle vaste potenzialità che possiedono i dispositivi organici. Infatti, i ricercatori di tutto il mondo sono in competizione nello sviluppo di applicazioni mediche e sanitarie utilizzando la morbidezza dei dispositivi organici. Il team ha guidato il campo dei dispositivi flessibili raggiungendo il raggio di curvatura minimo più piccolo al mondo (100 µm). Con la fattibilità mostrata con questi sterilizzabili, transistor organici flessibili, il contributo accelererà le ricerche sulle applicazioni mediche.

Il documento sarà pubblicato online in Comunicazioni sulla natura (Regno Unito) il 6 marzo, 2012 (GMT)