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    近日,复旦大学信息科学与工程学院仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队在揭示有机薄膜晶体管(OTFT)性能稳定性机制上取得突破性进展,提出了一种水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用的统一理论模型,这一成果有望加速柔性电子领域的大规模应用。相关论文发表在1月27日出版的国际权威性学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上。 物联网和智能物品的“最核心”技术——柔性有机薄膜晶体管(OTFT) 在过去的半个多世纪里,以集成电路为基础的信息技术突飞猛进,引发了人类生产和生活方式的深刻变革。随着半导体器件尺寸走向量子极限,传统的硅集成电路技术在未来10~15年可能走到尽头,支撑了集成电路半个多世纪发展的摩尔定律开始走向终结。 在这种新的形势下,信息科技在后摩尔时代必须有新的基础性突破和发展。与此同时,人类社会将全面进入信息网络社会和知识文明时代,信息网络将成为人类最重要的基础设施和公共资源,成为国家、社会法人和个人重要的生存发展平台。信息科技也将步入信息网络、物理世界和人类社会三者动态交互、全面融合的物联网时代。 未来可以预见,世界上任何一个物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾,都可以通过物联网进行信息交换。在那时,射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等将得到更加广泛的应用。 搭建物联网的基础是数以亿计的信息传感设备。由于柔性电子特有的弯曲性和可延展性,使其在与物的结合中发挥出重要的作用,成为桥接“物”与“云”的关键技术。正因如此,基于有机半导体材料和纳米材料等的柔性大面积电子技术在后摩尔时代得到迅猛发展。 与传统电子器件相比,柔性电子技术拥有众多优点:(1)器件可弯曲与伸展,由此可诞生众多新型应用领域;(2)可以在柔性和大面积衬底上采用大规模印刷技术加工实现,生产成本低廉;(3)加工设备简单,前期投入成本低;(4)加工过程属于低温工艺,工艺简单,不会对环境造成污染。 因此从某种意义上说,由于其与各种“物”良好的集成性和结合性,可以形成诸如智能包装、可穿戴的健康护理产品等,柔性电子技术成为促成物联网真正普及和大规模应用的“最核心”技术。大面积柔性有机薄膜晶体管(OTFT)和相关集成电路开始受到科研人员的青睐。 早在上世纪80年代初,国外就有科学家开始尝试用有机半导体材料替代硅材料作为导电沟道,构成新型薄膜场效应晶体管(TFT),开创了有机薄膜晶体管(OTFT)研究。OTFT质轻,膜薄,具有良好的柔韧性,还可以大面积“印刷”在任意材料表面,达到大幅降低生产成本目的。不同于常规硅基微电子器件,OTFT具有加工工艺简单、成本低廉和易弯曲等优点而赢得广泛关注。 但令人遗憾的是,当时器件载流子迁移率极低,只有10﹣5 cm2/Vs,远低于非晶硅材料,从而导致器件工作速度慢而且极易在空气中退化。材料中的迁移率是用来表征载流子(电子或空穴)在半导体材料内运动速度的快慢,迁移率越高,器件的运行速度也就越快。 在过去近30年的研究过程中,各国科学家在材料、器件、系统集成以及制备工艺方面取得了一定进展,但仍面临诸多困难和挑战。与成熟的硅器件相比,目前OTFT的大规模应用存在两大障碍,一是电流驱动能力不够、迁移率低下,二是可靠性差、寿命短。 国际前沿的领跑者 从2008年起,复旦大学仇志军副教授与刘冉教授领导的科研团队联合瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家理工学院开始针对有机薄膜晶体管(OTFT)展开一系列的研究。近年来,该团队在有机半导体材料和器件研究方面取得骄人成果,并很快走到国际前沿,研究成果陆续刊登在Advanced Materials 、IEEE Electron Device Letters 、IEEE Transactions on Electron Devices 等国际知名学术期刊上,受到广泛关注。 研究团队首先希望在器件运行速度上有所突破,达到可实用要求,并探索有机薄膜晶体管(OTFT)电学性能稳定性的本质机理。在实验过程中,他们发现如果对这些有机材料进行某种程度的修饰,比如,采用碳纳米管掺杂的有机半导体材料,就可显著改善OTFT的电学性能。经过五年多的不断尝试、试验,该科研团队已成功将有机薄膜迁移率从10﹣4 cm2/Vs提高到10 cm2/Vs左右,增加了四个数量级,接近多晶硅的水平,达到了可实用的量级。 但是还有一个根本性问题始终困扰着该研究团队——如何提高OTFT的性能稳定性。在解决该问题之前必须先了解“影响有机薄膜晶体管稳定性的内在机理究竟是什么”?研究团队决定打破砂锅问到底。 机理性突破:“水氧电化学反应”引发的“海绵效应” 国际上对有机薄膜晶体管(OTFT)性能非稳定性来源存在多种解释,然而尚未达成统一认识。一般认为,外界环境如水、氧以及光照和温度等都对OTFT的稳定性有着重要影响,导致器件性能发生变化。 2013年,科研团队在原有的工作基础上,通过进一步研究、论证,最终找到导致OTFT性能发生变化的内在机理,提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型(见图1)。   图1:空气中的水氧分子与载流子相互作用示意图 在大气环境下,空气中大量存在的水分子(H2O)和氧气分子(O2)会与OTFT发生直接接触。在正向电压作用下,水分子(H2O)和氧气分子(O2)开始“手拉手”发生电化学反应,器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子(OH﹣)。与此同时,由于正负电荷相互吸引,使得有机半导体材料中带正电荷的“空穴”载流子被OH﹣牢牢“锁住”,缺少“空穴”的OTFT无法导通,也便无法正常工作。 在施加反向电压后,氢氧根离子(OH﹣)发生逆向电化学反应,水分子(H2O)和氧分子(O2)重新被释放出来,之前被牢牢“锁住”的“空穴”便能在器件中自由“流动”。 整个过程犹如在一条不断流动的小溪里投掷大量的“海绵”。当海绵(在此形容水分子和氧分子)吸收水分之后(相当于在正向电压作用下束缚“空穴”载流子),小溪近乎干涸而无水流流动。当海绵受到挤压(相当于施加反向电压),海绵内的水再次回到河沟,小溪重新恢复流动。 实验结果表明,该模型为统一理论模型,不但可以解释低导电特性的OTFT器件,还可以解释类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件,为将来OTFT的大规模应用提供了理论指导和依据。 加快“后摩尔时代”的到来 整整五十年前的1964年,世界上第一块商用数字MOS集成电路诞生。这是曾经冲击市场的最差的产品之一:相当大的一部分产品没几天就不能工作了。直到人们对MOS晶体管的表面物理性质有了更深入的理解,发现其中部分原因在于:二氧化硅绝缘介质中存在钠、钾等可动离子电荷,并且这些电荷受电压等外界因素影响。此后,稳定的MOS晶体管才被制造出来,第一次晶体管技术革命随即到来。 随着对硅表面特性的彻底掌握,人们已经可以制备近乎完美的二氧化硅介质。“只有到MOS晶体管的功能设计完美时,才会永久地开启它的时代。”如今,MOS晶体管在集成电路器件中占据主导地位,每年生产的MOS晶体管的数量已远远超过世界上蚂蚁的数量,据统计,半导体制造商每年为世界上每个人生产大约十亿个晶体管。 可以预见,有机薄膜晶体管(OTFT)将与MOS晶体管的一样,具有“里程碑”意义。复旦大学科研团队在OTFT方面的系列研究,特别是稳定性机理方面的突破,将加快“后摩尔时代”的到来。 应用前景广阔 在那些对芯片本身性能要求不高,但能大面积灵活使用的应用领域中,比如平板显示和驱动、医学成像、穿戴设备、智能包装、纸币防伪、大面积传感器以及照明等方面,有机薄膜晶体管(OTFT)已经呈现出广泛应用前景。 目前,复旦大学联合瑞典皇家理工学院研发出的一种柔性可穿戴医疗器件Bio-Patch,已经可以像创可贴一样贴在皮肤表面,并实时的测量人体的心电以及体温信息。随着物联网基础条件的不断成熟,未来可穿戴智能医疗器件将越来越多的进入普通人的生活,为人们的生活方式以及医疗保健带来重大变革。 传感器是实现物联网不可缺少的基本组成部分之一。要将世界的万事万物联系在一起,必须通过功能各异的传感器感知并传递周围环境信息,而物联网技术的发展和成熟也对传感器提出了新的要求。低成本,低功耗,可印刷的柔性薄膜传感器的市场需求将在未来十年中急剧增加。 由于理论上单个有机分子就可构成一个功能器件,因而OTFT还有可能实现超高密度和超大容量存储。低成本、易加工、组成结构多变、可折叠、小体积、快响应、低功耗和高存储密度等优点使得OTFT在未来信息存储和逻辑电路方面有着非常广阔的应用前景。 未来,随着有机薄膜晶体管(OTFT)运行速度的不断加快,透明可弯曲的手机、透明可收卷的电视,乃至可显示新闻股市和天气的车窗都可以成为现实。 把握技术发展主动权 作为推动“物联网”最核心硬件技术的柔性和可穿戴电子领域,世界上还没有任何一个国家和地区拥有绝对的技术优势,而且其生产设备的投资远远低于传统硅芯片生产所需的几十甚至上百亿美元的投入。只要我国加大重视和增加研发投入,一定会在材料、器件以及系统集成方面取得突破,并充分发挥柔性大面积电子在物联网应用中的柔性、超薄、低成本、环保等优势,使其成为一个高技术、引领性的产业。 现在,复旦大学的科研团队通过校内外跨学科力量的合作,充分发挥研究型大学的学科优势和人才优势,从系统设计、集成器件、微纳加工等三个方向,不断提升自主创新的能力,继续突破柔性电子系统的核心技术,积极为后摩尔时代的柔性电子行业做好技术开发和储备。

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