Un equipo de investigación internacional ha logrado fabricar sobre una película polimérica el primer transistor orgánico flexible del mundo que es lo suficientemente robusto en un proceso de esterilización médica a alta temperatura. El estudio se publicará en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 6 de marzo 2012.

En una sociedad que envejece seriamente con una tasa de natalidad en declive, la electrónica está aumentando su importancia en el área de la salud y la medicina a medida que se introducen más dispositivos de TI. Sobre este trasfondo, una expectativa es cada vez mayor en un transistor orgánico, que es un interruptor electrónico suave. Un transistor orgánico flexible se puede fabricar fácilmente en una película polimérica biocompatible, y esta es la razón por la que se espera que se adapte a un monitor de salud portátil sin estrés, y / o dispositivos implantables como un marcapasos suave. Para una implementación práctica, es fundamental (1) aprovechar al máximo su suavidad y biocompatibilidad, simultáneamente (2) para disminuir el voltaje de conducción a unos pocos V, y (3) disminuir el riesgo de infecciones por esterilización, por una razón de seguridad. Hasta ahora, sin embargo, los transistores orgánicos existentes tenían enormes obstáculos para su uso práctico en el campo de la salud y la medicina. Por ejemplo, El voltaje de activación típico para pantallas es alto (es decir, de 20 a 80 V) y / o no es duradero bajo esterilización a alta temperatura.

El equipo ha logrado fabricar en una película polimérica un transistor orgánico que tiene una alta estabilidad térmica y un voltaje de activación de 2V al mismo tiempo. El transistor orgánico de nuevo tipo se puede esterilizar en un proceso de esterilización estándar (tratamiento térmico a 150 ° C) sin que se deterioren sus prestaciones eléctricas. La clave para realizar un transistor orgánico resistente al calor está en la técnica de formación de una película aislante ultrafina:el equipo desarrolla una técnica para formar películas monocapa autoensambladas (SAM) extraordinariamente densamente empaquetadas, cuyo espesor es tan pequeño como 2 nanómetros, sobre una película polimérica. Esto les permite elevar la temperatura del sustrato hasta 150 ° C sin crear agujeros a través de las películas SAM durante el tratamiento a alta temperatura. Se cree que la película monocapa ultrafina como SAM se degrada fácilmente mediante procesos térmicos; sin embargo, Se demuestra inesperadamente que la SAM densamente empaquetada es estable a 150 ° C o más. Este resultado también se prueba mediante la caracterización sistemática de estructuras cristalográficas de SAM utilizando un haz de radiación de sincrotrón. Es más, mediante la adopción de una nueva capa de encapsulación que comprende materiales compuestos orgánicos / metálicos y semiconductores orgánicos extremadamente estables térmicamente y de alta movilidad, la estabilidad térmica de los transistores orgánicos ahora se mejora hasta 150 ° C.

Debería beneficiarse más de la aplicación de este transistor orgánico resistente al calor a dispositivos implantables a largo plazo, oa algunos dispositivos médicos como un catéter inteligente. Con estas aplicaciones, Se espera que amplíe el uso del transistor a aparatos médicos, como sensores de película delgada que detectarán tumores. inflamaciones, yo cánceres.

El equipo internacional está dirigido por el Dr. Takao Someya, quien es profesor de la Universidad de Tokio (Presidente:Jyunichi Hamada, Doctor.), un director de investigación de ERATO (Investigación exploratoria para tecnología avanzada) "Someya Bio-Harmonized Electronics Project" de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST, Presidente:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), y un académico global de la Universidad de Princeton (Presidente:Shirley M. Tilghman, Doctor.), en colaboraciones con el profesor adjunto Tsuyoshi Sekitani de la Universidad de Tokio y el profesor Yueh-Lin (Lynn) Loo de la Universidad de Princeton. Este proyecto de investigación conjunto también se llevó a cabo con las siguientes instituciones:Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, Alemania, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, NIST, NOSOTROS., Universidad de Hiroshima, y Nippon Kayaku Co., Japón.

Como consecuencia de una grave disminución de la tasa de natalidad y una proporción creciente de ancianos, Los dispositivos de tecnología de la información (TI) se introducen rápidamente en el área de la salud y la medicina. Uno de los buenos ejemplos es la conexión a Internet de un dispositivo sanitario entre el hogar de un paciente y un hospital. Internet permitió a un médico controlar la frecuencia cardíaca y el peso de los pacientes fuera de su hogar. La miniaturización de aparatos médicos como los endoscopios logró minimizar la carga y / o invasividad de los pacientes. De este modo, en el ámbito médico y sanitario, la electrónica está aumentando su importancia. En efecto, en el mercado de la salud y la medicina, Se espera que la electrónica crezca un 120% cada año sucesivamente hasta 2015.

En este trasfondo, un transistor orgánico, que es un interruptor electrónico flexible, atrae mucha atención porque se fabrica fácilmente sobre una película polimérica biocompatible. Un transistor orgánico biocompatible sería adecuado para aplicaciones en un sistema de monitoreo de salud portátil sin estrés y dispositivos implantables como un marcapasos blando. Para una implementación práctica, es fundamental (1) aprovechar al máximo su suavidad y biocompatibilidad, simultáneamente (2) para disminuir el voltaje de conducción a unos pocos V, y (3) disminuir el riesgo de infecciones por esterilización, por una razón de seguridad. Hasta ahora, sin embargo, los transistores orgánicos existentes tenían enormes obstáculos para su uso práctico en el campo de la salud y la medicina. Por ejemplo, El voltaje de activación típico para pantallas es alto (es decir, de 20 a 80 V) y / o no es duradero bajo esterilización a alta temperatura.

El equipo ha logrado fabricar en una película polimérica un transistor orgánico que tiene la primera termoestabilidad a 150 ° C del mundo y, al mismo tiempo, su voltaje de activación de 2V. Las claves para realizar el transistor orgánico resistente al calor son (1) monocapa autoensamblado (SAM) y (2) una película de sellado, que se discutirán más adelante. La alta estabilidad térmica de la que nos habíamos dado cuenta hizo explotar la teoría típica de que una película monocapa ultrafina de nanómetros de tamaño se veía fácilmente afectada por el calor. Este resultado también fue probado por el análisis sistemático de caracterizaciones cristalográficas precisas utilizando un haz de radiación de sincrotrón, que se describirá en (3) en detalle. Es más, el transistor orgánico se ha esterilizado con éxito mediante un proceso de esterilización estándar (tratamiento térmico a 150 ° C) sin deteriorarse eléctricamente. Esto se discutirá en (4).

(1) Aislador de compuerta monocapa (SAM) autoensamblado altamente termoestable

Una tecnología clave para el desarrollo de transistores orgánicos esterilizables es la película monocapa autoensamblada (SAM) ultrafina de 2 nm de espesor. Reducir el grosor de una película aislante de compuerta se conoce como la forma efectiva de reducir el voltaje de activación de un transistor orgánico. Por razones de seguridad, es necesario adelgazar la película aislante de la compuerta a unos pocos nanómetros de espesor para reducir el voltaje de conducción a 2V. El equipo empleó película SAM para un aislante de puerta en el pasado. Intentaron optimizar el proceso de fabricación de SAM desde el punto de vista de la resistencia al calor. Como resultado, mejorando sustancialmente el orden cristalino de películas SAM densamente empaquetadas en una película polimérica, logran formar una película aislante que no crea poros, la causa de una fuga de corriente, incluso bajo un tratamiento de alta temperatura. Esto es posible optimizando la condición del plasma durante el proceso de conformación de películas delgadas de óxido de aluminio en la parte superior de la película polimérica. dando como resultado una forma de evitar que la película se dañe durante un proceso de plasma.

(2) Una capa de encapsulación que comprende películas compuestas orgánicas y metálicas.

Una mejora de la estabilidad térmica de un aislador de puerta SAM no es suficiente para lograr la alta estabilidad térmica de un transistor orgánico. Normalmente, Se sabe que los semiconductores orgánicos que componen la capa del canal en un transistor orgánico se degradan fácilmente con el calor. De este modo, un semiconductor orgánico, que se elige cuidadosamente entre los materiales resistentes al calor, es dinafto-tieno-tiofeno (DNTT) en el experimento. Es más, después de fabricar un transistor orgánico, el transistor está completamente cubierto por un flexible, Capa de encapsulación resistente al calor que comprende películas compuestas orgánicas y metálicas (Figura 2). La capa de encapsulación impide que DNTT se sublime con calor, y evita que los elementos se deterioren sustancialmente. Es más, Está demostrado que la característica electrónica del transistor orgánico permanece prácticamente sin cambios incluso después de sumergirlo en agua hirviendo.

(3) Caracterización estructural de películas de nanómetros de espesor mediante haces de radiación de sincrotrón

Se examinan las estructuras cristalográficas de las películas SAM. Ser preciso, la película aislante de la puerta utilizada en el experimento consta de dos capas, a saber, Óxido de aluminio de 4 nm de espesor y monocapa autoensamblada de 2 nm de espesor. La resistencia térmica del óxido de aluminio se conoce desde hace mucho tiempo; sin embargo, no se ha publicado ningún informe sobre un análisis estructural de la película SAM, ni un informe que demuestre la estabilidad estructural de la película SAM incrustada en los dispositivos a alta temperatura. Esto se debe a la dificultad de analizar la estructura de una película de SAM tan delgada con un espesor de capa molecular única utilizando análisis de rayos X.

El equipo intentó caracterizar con precisión las estructuras cristalográficas de una película SAM para evaluar la resistencia al calor de un transistor orgánico. Tenga en cuenta que el grosor de una película SAM es tan pequeño como 2 nanómetros. Mediante el uso de un haz de radiación de sincrotrón, Esta probado, Por primera vez, a lo mejor de nuestro conocimiento, que la estructura cristalográfica de una película SAM exhibe cualquier deterioro en el orden molecular incluso a 150 ° C o una temperatura superior. Este resultado anuló inesperadamente lo que se había creído que una película monocapa ultrafina de unos pocos nanómetros de grosor debe degradarse fácilmente por el calor.

El análisis se llevó a cabo junto con el profesor Yueh-Lin (Lynn) Loo de la Universidad de Princeton y un grupo del NIST. y se utiliza un haz de radiación de sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

(4) La creación de electrónica médica flexible

Los transistores orgánicos altamente termoestables pueden esterilizarse sin deteriorarse eléctricamente. El equipo evaluó la resistencia al calor de los elementos para tres procesos de esterilización por calentamiento estándar diferentes que se utilizan ampliamente para esterilizar aparatos médicos:son (1) un tratamiento térmico a una temperatura de 150 ° C durante 20 segundos a presión atmosférica, (2) un tratamiento térmico a 2 presiones atmosféricas, 121 ° C durante 20 segundos, y (3) una esterilización por ebullición.

Primero, la estabilidad térmica del transistor orgánico fabricado se mejora mediante el proceso de recocido a 160 ° C, que es ligeramente más alta que la temperatura de recocido típica para la esterilización. Segundo, las bacterias se cultivan en el transistor mencionado anteriormente. Finalmente, el número de bacterias y las características eléctricas se miden antes y después del proceso de esterilización médica. Como resultado, casi todas las bacterias murieron después de la esterilización; sin embargo, Las características eléctricas del transistor prácticamente no cambian (un nivel insignificante).

A diferencia de los materiales inorgánicos convencionales, los transistores orgánicos son capaces de fabricar dispositivos electrónicos ligeros y mecánicamente flexibles, ya que pueden construirse sobre película polimérica mediante un procesamiento a baja temperatura. Los transistores orgánicos también se pueden fabricar a través del proceso de impresión:esto permitió una reducción drástica de costos al fabricar transistores de área grande, en comparación con los fabricados con silicio. Una de las principales aplicaciones de conducción de los transistores orgánicos es el papel electrónico. Hasta ahora, Someya y sus compañeros de trabajo han investigado intensamente la aplicación de transistores orgánicos a sensores de área grande o actuadores de área grande. El equipo ha demostrado la viabilidad de implementar transistores orgánicos en dispositivos electrónicos de gran superficie. Una serie de sus logros incluyen un robot e-skin (2003), un escáner de hojas (2004), una pantalla de hoja braille ultradelgada (2005), una hoja de transmisión de energía inalámbrica (2006), una hoja de comunicación (2007), una hoja ultrasónica (2008), una memoria flash (2009).

Recientemente, Se espera que los transistores orgánicos se implementen en dispositivos médicos y sanitarios debido a su biocompatibilidad. Sin embargo, es indispensable que esos dispositivos estén esterilizados. Por lo tanto, Se ha requerido que esos circuitos orgánicos construidos sobre películas plásticas sean estables mediante tratamiento térmico, y que se accionan con baja tensión.

Someya y sus compañeros de trabajo han logrado hacer un transistor orgánico que no se deteriora después de calentarse hasta 150 ° C en 2004. Sin embargo, Un polímero orgánico grueso que se utilizó como película aislante provocó que el voltaje de conducción fuera muy alto, y fue la razón por la que no era adecuado para uso biológico / médico. El equipo había intentado construir algunos materiales orgánicos / inorgánicos de pocos nm en una película de plástico utilizando un autoensamblaje molecular, y finalmente han demostrado la viabilidad de la resistencia al calor de la película SAM por primera vez.

En el año pasado, inventaron una nueva electrónica médica llamada "un catéter inteligente" utilizando una técnica de transistores orgánicos flexibles:el nuevo catéter estrecho está cubierto con una red de sensores de presión (publicado en Materiales de la naturaleza , Reino Unido en 2010). Era inevitable desarrollar un transistor orgánico termoestable para que el nuevo catéter fuera utilizado prácticamente en los hospitales. Finalmente superaron la barrera.

Los transistores orgánicos son mecánicamente flexibles y se espera que sean biocompatibles, ya que están hechos de materiales electrónicos orgánicos blandos, como semiconductores orgánicos. Las aplicaciones atractivas que se espera que se realicen mediante transistores orgánicos biocompatibles flexibles incluyen "un dispositivo electrónico portátil" que lee la información biológica desde el exterior de la piel, o "una electrónica implantable" que extrae directamente la bioinformación mediante la implantación de la electrónica en un cuerpo. En efecto, A Someya y su compañero de trabajo también se les ocurrió aplicar la electrónica orgánica ultraflexible para cubrir un catéter estrecho. Esto abre un nuevo camino hacia el desarrollo de un sensor de película delgada que detecta tumores, inflamaciones, cánceres tempranos. La invención seguramente ampliará el uso de los transistores orgánicos como dispositivos médicos. Desde una flexibilidad, una gran cobertura, y una estabilidad eléctrica son indispensables para la implementación de estos dispositivos médicos, la presente invención servirá como tecnología central al desarrollar los futuros dispositivos médicos.

Hasta este punto, Las pantallas y las células solares se han considerado como las principales aplicaciones impulsoras de los dispositivos orgánicos. Las pantallas EL orgánicas y las células solares orgánicas flexibles se implementan rápidamente. Sin embargo, son sólo un atisbo de los vastos potenciales que poseen los dispositivos orgánicos. En efecto, Los investigadores del mundo compiten en el desarrollo de aplicaciones médicas y de salud utilizando la suavidad de los dispositivos orgánicos. El equipo ha liderado el campo de los dispositivos flexibles al lograr el radio de curvatura mínimo más pequeño del mundo (100 µm). Con la viabilidad mostrada con estos esterilizables, transistores orgánicos flexibles, la contribución acelerará las investigaciones sobre las aplicaciones médicas.

El artículo se publicará en línea en Comunicaciones de la naturaleza (Reino Unido) el 6 de marzo, 2012 (GMT)