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  • La nanoestructura aumenta la estabilidad de los transistores orgánicos de película delgada

    La imagen muestra transistores de película delgada orgánica con un dieléctrico de puerta nanoestructurada bajo prueba continua en una estación de sonda. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech

    Un dieléctrico de puerta nanoestructurada puede haber abordado el obstáculo más importante para expandir el uso de semiconductores orgánicos para transistores de película delgada. La estructura, compuesto por una capa de fluoropolímero seguida de un nanolaminado hecho de dos materiales de óxido metálico, sirve como dieléctrico de puerta y simultáneamente protege el semiconductor orgánico, que anteriormente había sido vulnerable a los daños del entorno ambiental, y permite que los transistores funcionen con una estabilidad sin precedentes.

    La nueva estructura proporciona a los transistores de película fina una estabilidad comparable a la de los fabricados con materiales inorgánicos. permitiéndoles operar en condiciones ambientales, incluso bajo el agua. Los transistores orgánicos de película fina se pueden fabricar de forma económica a baja temperatura en una variedad de sustratos flexibles utilizando técnicas como la impresión por inyección de tinta, potencialmente abriendo nuevas aplicaciones que aprovechan las ventajas de procesos de fabricación aditiva.

    "Ahora hemos probado una geometría que ofrece un rendimiento de por vida que establece por primera vez que los circuitos orgánicos pueden ser tan estables como los dispositivos producidos con tecnologías inorgánicas convencionales". "dijo Bernard Kippelen, el profesor Joseph M. Pettit en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE) de Georgia Tech y director del Centro de Fotónica y Electrónica Orgánica de Georgia Tech (COPE). "Este podría ser el punto de inflexión para los transistores orgánicos de película delgada, abordar las preocupaciones de larga data sobre la estabilidad de los dispositivos imprimibles de base orgánica ".

    La investigación se publicará el 12 de enero en la revista Avances de la ciencia . La investigación es la culminación de 15 años de desarrollo dentro de COPE y fue apoyada por patrocinadores, incluida la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear.

    Los transistores comprenden tres electrodos. Los electrodos fuente y de drenaje pasan corriente para crear el estado "encendido", pero solo cuando se aplica un voltaje al electrodo de puerta, que está separado del material semiconductor orgánico por una fina capa dieléctrica. Un aspecto único de la arquitectura desarrollada en Georgia Tech es que esta capa dieléctrica utiliza dos componentes, un fluoropolímero y una capa de óxido metálico.

    El científico investigador principal de Georgia Tech Canek Fuentes-Hernandez (izquierda) y el profesor Bernard Kippelen examinan una muestra de transistores orgánicos de película delgada creados con un nuevo dieléctrico de compuerta nanoestructurado que brinda a los dispositivos una estabilidad sin precedentes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech

    "Cuando desarrollamos esta arquitectura por primera vez, esta capa de óxido de metal era óxido de aluminio, que es susceptible a daños por humedad, "dijo Canek Fuentes-Hernandez, científico investigador senior y coautor del artículo. "Trabajando en colaboración con el profesor de tecnología de Georgia Samuel Graham, Desarrollamos barreras de nanolaminado complejas que podrían producirse a temperaturas por debajo de 110 grados Celsius y que cuando se usan como dieléctrico de puerta, permitía a los transistores mantenerse sumergidos en agua cerca de su punto de ebullición ".

    La nueva arquitectura de Georgia Tech utiliza capas alternas de óxido de aluminio y óxido de hafnio:cinco capas de una, luego cinco capas de la otra, repetido 30 veces sobre el fluoropolímero - para hacer el dieléctrico. Las capas de óxido se producen con deposición de capas atómicas (ALD). El nanolaminado, que acaba teniendo unos 50 nanómetros de grosor, es prácticamente inmune a los efectos de la humedad.

    "Aunque sabíamos que esta arquitectura ofrecía buenas propiedades de barrera, Nos sorprendió la estabilidad con la que operaban los transistores con la nueva arquitectura, ", dijo Fuentes-Hernández." El rendimiento de estos transistores se mantuvo prácticamente sin cambios incluso cuando los operamos durante cientos de horas ya temperaturas elevadas de 75 grados centígrados. Este fue, con mucho, el transistor de base orgánica más estable que jamás hayamos fabricado ".

    Para la demostración de laboratorio, los investigadores utilizaron un sustrato de vidrio, pero también podrían utilizarse muchos otros materiales flexibles, incluidos polímeros e incluso papel.

    En el laboratorio, los investigadores utilizaron técnicas estándar de crecimiento de ALD para producir el nanolaminado. Pero los procesos más nuevos denominados ALD espacial, que utilizan múltiples cabezales con boquillas que suministran los precursores, podrían acelerar la producción y permitir que los dispositivos se amplíen en tamaño. "ALD ha alcanzado ahora un nivel de madurez en el que se ha convertido en un proceso industrial escalable, y creemos que esto permitirá una nueva fase en el desarrollo de transistores orgánicos de película delgada, "Dijo Kippelen.

    Una aplicación obvia es para los transistores que controlan los píxeles en las pantallas de emisión de luz orgánica (OLED) que se utilizan en dispositivos como el iPhone X y los teléfonos Samsung. Estos píxeles ahora están controlados por transistores fabricados con semiconductores inorgánicos convencionales, pero con la estabilidad adicional proporcionada por el nuevo nanolaminado, tal vez podrían fabricarse con transistores orgánicos de película delgada imprimibles en su lugar.

    Los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) también podrían beneficiarse de la fabricación habilitada por la nueva tecnología, permitiendo la producción con impresoras de inyección de tinta y otros procesos de impresión y recubrimiento de bajo costo. La técnica del nanolaminado también podría permitir el desarrollo de dispositivos económicos basados ​​en papel, como boletos inteligentes, que usaría antenas, pantallas y memorias fabricadas en papel mediante procesos de bajo costo.

    Pero las aplicaciones más dramáticas podrían estar en pantallas flexibles de gran tamaño que podrían enrollarse cuando no estén en uso.

    El científico investigador principal de Georgia Tech Canek Fuentes-Hernandez (izquierda) y el profesor Bernard Kippelen se muestran en un laboratorio de Georgia Tech donde se desarrollaron los nuevos transistores orgánicos de película delgada. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech

    "Obtendremos una mejor calidad de imagen, mayor tamaño y mejor resolución, ", Dijo Kippelen." A medida que estas pantallas se hacen más grandes, el factor de forma rígido de las pantallas convencionales será una limitación. La tecnología a base de carbono de baja temperatura de procesamiento permitirá enrollar la pantalla, haciéndolo fácil de transportar y menos susceptible a daños.

    Por su demostración, El equipo de Kippelen, que también incluye a Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang y Youngrak Park:utilizaron un modelo de semiconductor orgánico. El material tiene propiedades conocidas, pero con valores de movilidad del portador de 1,6 cm2 / Vs no es el más rápido disponible. Como siguiente paso, A los investigadores les gustaría probar su proceso en semiconductores orgánicos más nuevos que proporcionan una mayor movilidad de carga. También planean continuar probando el nanolaminado en diferentes condiciones de flexión, a lo largo de períodos de tiempo más largos, y en otras plataformas de dispositivos como fotodetectores.

    Aunque la electrónica basada en carbono está ampliando las capacidades de sus dispositivos, los materiales tradicionales como el silicio no tienen nada que temer.

    "Cuando se trata de altas velocidades, Los materiales cristalinos como el silicio o el nitruro de galio ciertamente tendrán un futuro brillante y muy largo. ", dijo Kippelen." Pero para muchas aplicaciones impresas futuras, una combinación del último semiconductor orgánico con mayor movilidad de carga y el dieléctrico de puerta nanoestructurada proporcionará una tecnología de dispositivo muy poderosa ".


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