复旦大学揭示有机薄膜晶体管性能变化的机制

日前，复旦大学的研究者揭示了导致有机薄膜晶体管性能变化的机制，为进一步改良以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术开拓了前景，从可穿戴设备到纸币防伪，柔性电子技术将有望走进我们d 生活。此论文发表于最近出版的《自然-通讯》杂志上。

1965年，英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon E. Moore）提出，集成电路上可容纳的晶体管数目约每两年便会增加一倍。半导体技术已经以符合这种“摩尔定律”的趋势发展了数十年。然而，根据国际半导体技术发展蓝图组织（ITRS）的评估，这种发展势头将会减慢。而另一方面，有机薄膜晶体管（OTFT）作为印制电子关键技术，则在几年间获得了长足进展。

有机薄膜晶体管研究可追溯到上世纪80年代。由于有机薄膜晶体管有良好的柔韧性，并具备厚度小、能弯曲等常规硅基微电子器件不易具备的特点，相关研究旋即受到广泛关注。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研究小组，继将有机薄膜晶体管的工作速度提升至可实用的量级后，又揭示了影响有机薄膜晶体管性能稳定性的本质机理。

目前有机薄膜晶体管的发展主要面临两大难题。“一个是迁移率的问题，有机薄膜晶体管导电能力差，因此应用起来就比较困难。另外一个问题在于可靠性，有机薄膜晶体管在应用时可能不稳定。”刘冉在接受果壳网采访时介绍道：“这些年在提高迁移率方面获得不少进展。近两年我们开始研究第二个问题。”此前国际上对导致有机薄膜晶体管不稳定性的原因众说纷纭，而复旦大学的研究者提出了一个相对具有普适性机制模型：

暴露在空气中的有机薄膜晶体管会与空气中的水和氧气发生接触。在正向电压作用下，水分子和氧分子发生电化学反应，在器件表面形成带负电荷的氢氧根离子（OH﹣），这使得器件中带正电荷的载流子（器件中可自由移动的、带有电荷的物质微粒）被氢氧根离子束缚，导致器件无法正常工作。而在施加反向电压后，由于氢氧根离子发生逆向反应，被束缚的载流子又重获自由，在器件中正常流动。“晶体管有一个非常重要的功能，就是逻辑操作。原来晶体管是开着的，给它赋予的是1的状态，但过一段时间突然从1这个状态跳到0，这是我们所不希望的。” 仇志军指出：“（载流子）一会儿被锁住，一会儿又会被释放出来，没法控制，所以导致稳定性比较差。”

这种描述水氧电化学反应和有机薄膜载流子间相互作用的模型，很好地解释了有机薄膜晶体管不稳定性的发生机制。根据这个模型，研究人员可能利用在有机薄膜晶体管的表面加合适的保护层等手段克服当前有机薄膜晶体管的不稳定性。

谈及有机薄膜晶体管在未来的应用，刘冉表示：“（有机薄膜晶体管）并不能取代硅的集成电路，但能够实现一些新的应用。”以有机薄膜晶体管为代表的柔性电子技术具有器件可伸展弯曲、加工设备相对简单、成本低廉等优点，在大面积的柔性显示设备及低成本的智能电子标签等领域具有广阔的应用前景。从可穿戴设备到纸币防伪，柔性电子技术将有望走进我们生活的方方面面。