图片显示具有纳米结构栅介质的有机薄膜晶体管在探针站上进行连续测试。来源：佐治亚理工学院Rob Felt
有机半导体用于薄膜晶体管之前一直存在着很大的障碍，然而纳米结构栅极电介质的问世，可能已经解决了这个问题。这种结构由含氟聚合物层和两种金属氧化物材料制成的纳米胺组成，它们可以用作栅极电介质，同时还可以保护有机半导体（先前的半导体容易受到周围环境的破坏），并使过渡过程得以实现。史无前例的是，这种新设计可以稳定运行。
新结构使薄膜晶体管的稳定性与无机材料相比显得更加稳定，采用了这种新结构后，它们甚至可以在水下工作。利用诸如喷墨印刷等技术，有机薄膜晶体管可以在各种柔性基板上，低温环境下廉价地制造，打开了简易制造有机薄膜晶体管的新世界。
佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的Bernard Kippelen教授说：“我们现在已经证明了一种能产生终身性能的几何结构，这是第一次确定有机电路可以像传统的无机电路一样稳定。”这可能是有机薄膜晶体管的转折点，这一突破解决了长期以来对有机基可印刷器件稳定性的担忧。
这项研究于1月12日在“Science Advances”《科学进展》杂志上发表。这项研究是15年来佐治亚理工学院有机光电子中心发展的高潮，得到了赞助商的支持，包括海军研究办公室，空军科学研究办公室，以及国家核安全管理局。
晶体管包括三个电极。源极和漏极通过电流以产生“on”状态，但只有当电压施加到栅电极上时，就会通过薄介电层与有机半导体材料分离。佐治亚理工学院开发的结构具有一个独特方面，那就是它的介电层使用两个组分，一个含氟聚合物和一个金属氧化物层。
“当我们第一次开发这种结构时，这种金属氧化物层是氧化铝，但是它容易受到潮湿空气的损害，”一位资深研究科学家Canek Fuentes Hernandez和该论文的合著者说。在与佐治亚理工学院教授Samuel Graham合作的过程中，开发了复杂的纳米级隔膜，它可以在低于110摄氏度的温度下产生，当用作栅极电介质时，可以使晶体管能够在接近沸点附近的水中工作。
佐治亚理工学院新科技采用氧化铝和氧化铪的交替层，在含氟聚合物上面重复30次，制成电介质。氧化物层是用原子层沉积（ALD）技术制备的。纳米氨基直径约为50纳米，几乎不受环境湿度的影响。
Fuentes Hernandez说：“虽然我们知道这种结构产生了良好的阻隔性能，但晶体管的性能却没有被新的架构所破坏。” 即使我们在几百摄氏度的高温下操作它们，这些晶体管的性能几乎保持不变。这是迄今为止我们制造的最稳定的有机晶体管。
示意图显示了一个新的有机晶体管架构的横截面，它产生了前所未有的稳定性。该设备是由佐治亚理工学院的一组科学家开发的。来源：佐治亚理工学院的Xiaojia Jia
在实验室的演示中，研究人员使用玻璃基板，也可以使用许多其他柔性材料（包括聚合物甚至纸）来制备这种晶体管。
在实验室中，研究人员使用标准的ALD生长技术生产纳米胺。但他们新的工艺称为空间ALD这种技术利用多喷嘴喷头输送前驱物，可以加速生产。ALD工艺现在已经成熟，在这一阶段，它已经可以规模化应用，我们认为这将允许有机薄膜晶体管迎来重大的发展，Kippelen说。
一个明显的应用是控制有机发光显示器（OLED）中的像素晶体管，这些器件在iPhone X和三星手机等设备中广泛使用。这些像素现在由用常规无机半导体制造的晶体管控制，但是通过新的纳米级胺提供的稳定性，它们或许可以用可印刷的有机薄膜晶体管来代替。
物联网用户也可以从新技术中获益，并与喷墨打印机和其他低成本印刷以及涂层工艺进行生产。纳米级技术也可以开发廉价的纸基器件，比如智能机票，这将利用低成本的工艺在纸上制造天线、显示器和存储器。
但最引人注目的应用可能是巨大的柔性显示器，在不使用时可以将显示器卷起。
“我们将获得更好的图像质量，更大的尺寸和更好的分辨率，”Kippelen说。由于这些屏幕变得更大，传统显示器的刚性形状将是一个限制。低温加工技术将使屏幕可以卷起并且，便于携带，不易损坏。
为了演示，Kippelen的团队（包括Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang和Youngrak Park）使用了一个模型有机半导体。这种材料具有众所周知的特性，但载流子迁移率值为1.6 cm2/Vs。下一步，研究人员希望在新的有机半导体上测试这个过程，以提供更高的电荷迁移率。他们还计划在不同的弯曲条件下，在更长的时间周期内，在其他设备平台，如光电探测器上继续测试纳米级的新材料。
虽然碳基电子产品正在提高使用性能，但传统材料如硅无需担心。
“当涉及到高速时设备时，像硅或氮化镓这样的晶体材料肯定会有一个光明而漫长的未来，”Kippelen说。
但是对于未来印刷领域，最新的有机半导体与更高的电荷迁移率和纳米结构栅极电介质的组合将提供非常强大的电子器件技术。
文章来自phys网站，原文题目为Nanostructured gate dielectric boosts stability of organic thin-film transistors，由材料科技在线汇总整理。
