Un dielettrico di gate nanostrutturato potrebbe aver affrontato l'ostacolo più significativo all'espansione dell'uso di semiconduttori organici per transistor a film sottile. La struttura, composto da uno strato di fluoropolimero seguito da un nanolaminato costituito da due materiali di ossido metallico, funge da dielettrico di gate e contemporaneamente protegge il semiconduttore organico - che in precedenza era vulnerabile ai danni dell'ambiente circostante - e consente ai transistor di funzionare con una stabilità senza precedenti.

La nuova struttura conferisce ai transistor a film sottile una stabilità paragonabile a quelli realizzati con materiali inorganici, consentendo loro di operare in condizioni ambientali, anche sott'acqua. I transistor organici a film sottile possono essere realizzati a basso costo a bassa temperatura su una varietà di substrati flessibili utilizzando tecniche come la stampa a getto d'inchiostro, potenzialmente aprendo nuove applicazioni che sfruttano semplici, processi di fabbricazione additiva.

"Abbiamo ora dimostrato una geometria che offre prestazioni a vita che per la prima volta stabiliscono che i circuiti organici possono essere stabili quanto i dispositivi prodotti con tecnologie inorganiche convenzionali, " ha detto Bernard Kippelen, il professore Joseph M. Pettit alla School of Electrical and Computer Engineering (ECE) della Georgia Tech e direttore del Center for Organic Photonics and Electronics (COPE) della Georgia Tech. "Questo potrebbe essere il punto di svolta per i transistor organici a film sottile, affrontare le preoccupazioni di lunga data sulla stabilità dei dispositivi stampabili a base organica".

La ricerca è stata riportata il 12 gennaio sulla rivista Progressi scientifici . La ricerca è il culmine di 15 anni di sviluppo all'interno di COPE ed è stata supportata da sponsor tra cui l'Office of Naval Research, l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, e l'Amministrazione nazionale per la sicurezza nucleare.

I transistor comprendono tre elettrodi. Gli elettrodi di source e drain passano la corrente per creare lo stato "on", ma solo quando viene applicata una tensione all'elettrodo di gate, che è separato dal materiale semiconduttore organico da un sottile strato dielettrico. Un aspetto unico dell'architettura sviluppata alla Georgia Tech è che questo strato dielettrico utilizza due componenti, un fluoropolimero e uno strato di ossido di metallo.

"Quando abbiamo sviluppato per la prima volta questa architettura, questo strato di ossido di metallo era ossido di alluminio, che è suscettibile di danni da umidità, " ha detto Canek Fuentes-Hernandez, un ricercatore senior e coautore del documento. "Lavorando in collaborazione con il professore della Georgia Tech Samuel Graham, abbiamo sviluppato complesse barriere in nanolaminato che potrebbero essere prodotte a temperature inferiori a 110 gradi Celsius e che quando utilizzate come dielettrico di gate, ha permesso ai transistor di sostenere l'essere immersi in acqua vicino al suo punto di ebollizione."

La nuova architettura Georgia Tech utilizza strati alternati di ossido di alluminio e ossido di afnio - cinque strati di uno, poi cinque strati dell'altro, ripetuto 30 volte sopra il fluoropolimero - per realizzare il dielettrico. Gli strati di ossido sono prodotti con deposizione di strati atomici (ALD). Il nanolaminato, che finisce per avere uno spessore di circa 50 nanometri, è praticamente immune agli effetti dell'umidità.

"Mentre sapevamo che questa architettura ha prodotto buone proprietà barriera, siamo rimasti sbalorditi dalla stabilità del funzionamento dei transistor con la nuova architettura, " ha affermato Fuentes-Hernandez. "Le prestazioni di questi transistor sono rimaste praticamente invariate anche quando li abbiamo utilizzati per centinaia di ore ea temperature elevate di 75 gradi Celsius. Questo era di gran lunga il transistor a base organica più stabile che avessimo mai fabbricato".

Per la dimostrazione in laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato un substrato di vetro, ma potrebbero essere utilizzati anche molti altri materiali flessibili, inclusi polimeri e persino carta.

Nel laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di crescita ALD standard per produrre il nanolaminato. Ma i processi più recenti denominati ALD spaziale, che utilizzano più teste con ugelli che forniscono i precursori, potrebbero accelerare la produzione e consentire di aumentare le dimensioni dei dispositivi. "ALD ha ormai raggiunto un livello di maturità al quale è diventato un processo industriale scalabile, e pensiamo che questo consentirà una nuova fase nello sviluppo di transistor organici a film sottile, " ha detto Kippelen.

Un'applicazione ovvia è per i transistor che controllano i pixel nei display organici a emissione di luce (OLED) utilizzati in dispositivi come iPhone X e telefoni Samsung. Questi pixel sono ora controllati da transistor fabbricati con semiconduttori inorganici convenzionali, ma con la stabilità aggiuntiva fornita dal nuovo nanolaminato, potrebbero forse essere realizzati con transistor organici stampabili a film sottile.

Anche i dispositivi Internet of Things (IoT) potrebbero trarre vantaggio dalla fabbricazione resa possibile dalla nuova tecnologia, consentendo la produzione con stampanti a getto d'inchiostro e altri processi di stampa e rivestimento a basso costo. La tecnica del nanolaminato potrebbe anche consentire lo sviluppo di dispositivi economici basati su carta, come biglietti intelligenti, che userebbe antenne, display e memorie fabbricati su carta attraverso processi a basso costo.

Ma le applicazioni più drammatiche potrebbero essere in display flessibili molto grandi che potrebbero essere arrotolati quando non in uso.

"Otterremo una migliore qualità dell'immagine, dimensioni maggiori e migliore risoluzione, " ha detto Kippelen. "Man mano che questi schermi diventano più grandi, il fattore di forma rigido dei display convenzionali sarà un limite. La tecnologia a base di carbonio a bassa temperatura di lavorazione consentirà di arrotolare lo schermo, rendendolo facile da trasportare e meno soggetto a danni.

Per la loro dimostrazione, La squadra di Kippelen – che include anche Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang e Youngrak Park hanno utilizzato un modello di semiconduttore organico. Il materiale ha proprietà ben note, ma con valori di mobilità del portatore di 1,6 cm2/Vs non è il più veloce disponibile. Come passo successivo, i ricercatori vorrebbero testare il loro processo su nuovi semiconduttori organici che forniscono una maggiore mobilità di carica. Hanno anche in programma di continuare a testare il nanolaminato in diverse condizioni di piegatura, in periodi di tempo più lunghi, e in altre piattaforme di dispositivi come i fotorilevatori.

Sebbene l'elettronica a base di carbonio stia espandendo le capacità del dispositivo, i materiali tradizionali come il silicio non hanno nulla da temere.

"Quando si tratta di velocità elevate, i materiali cristallini come il silicio o il nitruro di gallio avranno sicuramente un futuro luminoso e molto lungo, " ha detto Kippelen. "Ma per molte future applicazioni stampate, una combinazione dell'ultimo semiconduttore organico con una maggiore mobilità di carica e il dielettrico del gate nanostrutturato fornirà una tecnologia del dispositivo molto potente".