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近日，復旦大學的研究者揭示了導致有機薄膜晶體管性能變化的機制，為進一步改良以有機薄膜晶體管為代表的柔性電子技術開拓了前景，從可穿戴設備到紙幣防偽，柔性電子技術將有望走進我們d 生活。此論文發(fā)表于最近出版的《自然-通訊》雜志上。

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon E. Moore）提出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每兩年便會增加一倍。半導體技術已經以符合這種“摩爾定律”的趨勢發(fā)展了數(shù)十年。然而，根據(jù)國際半導體技術發(fā)展藍圖組織（ITRS）的評估，這種發(fā)展勢頭將會減慢。而另一方面，有機薄膜晶體管（OTFT）作為印制電子關鍵技術，則在幾年間獲得了長足進展。

有機薄膜晶體管研究可追溯到上世紀80年代。由于有機薄膜晶體管有良好的柔韌性，并具備厚度小、能彎曲等常規(guī)硅基微電子器件不易具備的特點，相關研究旋即受到廣泛關注。復旦大學信息科學與工程學院仇志軍副教授與劉冉教授領導的研究小組，繼將有機薄膜晶體管的工作速度提升至可實用的量級后，又揭示了影響有機薄膜晶體管性能穩(wěn)定性的本質機理。

目前有機薄膜晶體管的發(fā)展主要面臨兩大難題。“一個是遷移率的問題，有機薄膜晶體管導電能力差，因此應用起來就比較困難。另外一個問題在于可靠性，有機薄膜晶體管在應用時可能不穩(wěn)定�！眲⑷皆诮邮芄麣ぞW采訪時介紹道：“這些年在提高遷移率方面獲得不少進展。近兩年我們開始研究第二個問題�！贝饲皣H上對導致有機薄膜晶體管不穩(wěn)定性的原因眾說紛紜，而復旦大學的研究者提出了一個相對具有普適性機制模型：

空氣中的水氧分子與載流子相互作用示意圖。圖片來源：復旦大學

暴露在空氣中的有機薄膜晶體管會與空氣中的水和氧氣發(fā)生接觸。在正向電壓作用下，水分子和氧分子發(fā)生電化學反應，在器件表面形成帶負電荷的氫氧根離子（OH﹣），這使得器件中帶正電荷的載流子（器件中可自由移動的、帶有電荷的物質微粒）被氫氧根離子束縛，導致器件無法正常工作。而在施加反向電壓后，由于氫氧根離子發(fā)生逆向反應，被束縛的載流子又重獲自由，在器件中正常流動�！熬w管有一個非常重要的功能，就是邏輯操作。原來晶體管是開著的，給它賦予的是1的狀態(tài)，但過一段時間突然從1這個狀態(tài)跳到0，這是我們所不希望的。” 仇志軍指出：“（載流子）一會兒被鎖住，一會兒又會被釋放出來，沒法控制，所以導致穩(wěn)定性比較差。”

這種描述水氧電化學反應和有機薄膜載流子間相互作用的模型，很好地解釋了有機薄膜晶體管不穩(wěn)定性的發(fā)生機制。根據(jù)這個模型，研究人員可能利用在有機薄膜晶體管的表面加合適的保護層等手段克服當前有機薄膜晶體管的不穩(wěn)定性。

談及有機薄膜晶體管在未來的應用，劉冉表示：“（有機薄膜晶體管）并不能取代硅的集成電路，但能夠實現(xiàn)一些新的應用�！币杂袡C薄膜晶體管為代表的柔性電子技術具有器件可伸展彎曲、加工設備相對簡單、成本低廉等優(yōu)點，在大面積的柔性顯示設備及低成本的智能電子標簽等領域具有廣闊的應用前景。從可穿戴設備到紙幣防偽，柔性電子技術將有望走進我們生活的方方面面。