導電聚合物有望用于下一代有機電子產品

幾十年來，由硅基半導體實現的場效應晶體管推動了電子革命。但近年來，制造商在進一步縮小硅芯片尺寸和提高效率方面遇到了嚴格的物理限制。這促使科學家和工程師尋找傳統金屬氧化物半導體 (CMOS) 晶體管的替代品。

“與傳統的硅基半導體器件相比，有機半導體具有幾個明顯的優勢：它們由碳、氫和氮等豐富的元素制成;它們具有機械靈活性和制造成本低;它們可以很容易地大規模制造， ” 加州大學圣巴巴拉分校工程學教授 Yon Visell 指出，他是研究新材料的一組研究人員的一員。

“也許更重要的是，聚合物本身可以使用多種化學方法制造，從而賦予最終的半導體器件有趣的光學和電學特性。這些特性可以通過比無機物更多的方式設計、調整或選擇(例如，硅基)晶體管。”

Visell 描述的設計靈活性體現在 UCSB 研究人員和其他人在《先進材料》雜志上報告的設備可重構性中。

可重構邏輯電路作為后 CMOS 電子產品的候選者特別受關注，因為它們可以簡化電路設計，同時提高能效。最近開發的一類稱為有機電化學晶體管 (OECT) 的碳基(與氮化硅或氮化鎵相反)晶體管已被證明非常適合可重構電子產品。

在最近的論文中，領導 UCSB 聚合物和有機固體中心的化學教授 Thuc-Quyen Nguyen 和包括 Visell 在內的合著者描述了一種突破性材料——一種柔軟的半導體碳基聚合物——它可以提供獨特的優勢。目前在傳統硅晶體管中發現的無機半導體。

研究人員寫道：“可重構的有機邏輯器件是下一代高效計算系統和自適應電子設備的有希望的候選者。” “理想情況下，此類設備應具有簡單的結構和設計，[以及]節能并與高通量微加工技術兼容。”

共軛電導率

共軛聚電解質或 CPE-K 由一個中央共軛主鏈組成，具有交替的單鍵和雙鍵，以及多個帶有離子的帶電側鏈。“在整個聚合物中具有共軛鍵使其具有導電性，因為離域電子在聚合物的長度上具有很高的遷移率，”主要作者、Visell 共同建議的 Nguyen 實驗室的博士后研究員 Tung Nguyen-Dang 解釋道。“在這種分子設計中，你正在結合兩種經典材料，聚合物和半導體。”

人工智能 (AI) 在開發這種材料方面發揮了作用。“你可以通過反復試驗來制作材料，”Nguyen 說。“你可以制作一大堆并希望獲得最好的結果，也許二十個作品中的一個或具有有趣的特性;但是，我們與加利福尼亞州北嶺分校的教授陸剛合作，他使用人工智能來選擇積木和考慮到我們的目標能級和特性，進行計算以大致了解如何進行。”

確定可重構性

CPE-K 的一個主要優點是它支持可重新配置(“雙模式”)邏輯門，這意味著它們可以在運行中切換以在耗盡模式或累積模式下運行，只需調整柵極電壓即可。在耗盡模式下，流過漏極和源極之間的活性材料的電流最初很高，在施加任何柵極電壓之前(也稱為 ON 狀態)。當施加柵極電壓時，電流下降，晶體管變為截止狀態。累積模式則相反——在沒有柵極電壓的情況下，晶體管處于關閉位置，施加柵極電壓會產生更高的電流，從而將器件切換到開啟狀態。

Nguyen 說：“傳統的電子邏輯門是計算機或智能手機中所有數字電路的構建塊，是只完成它們設計的一項工作的硬件。” “例如，與門有兩個輸入和一個輸出，如果應用到它的輸入全為 1，則輸出將為 1。類似地，或非門也有兩個輸入和一個輸出，但如果所有的施加于它的輸入為1，則輸出將為0。電子門是使用晶體管實現的，并且重新配置它們(例如從與門更改為或非門)需要侵入性修改，例如拆卸，這通常太復雜了要實用。

“可重構門，就像我們展示的那樣，可以作為兩種類型的邏輯門，通過僅改變柵極電壓從 AND 切換到 NOR，反之亦然，”她繼續說道。“目前在電子產品中，功能是由結構定義的，但在我們的設備中，您可以通過改變施加在其上的電壓來改變行為并使其成為其他東西。如果我們將本發明從單個門擴大到更復雜的電路，包括在許多這樣的可重構門中，我們可以設想一種功能強大的硬件，它可以編程具有比具有相同數量晶體管的傳統硬件更多的功能。”

基于 CPE-K 的 OECT 的另一個優勢：它們可以在非常低的電壓下運行，使其適用于個人電子產品。再加上其靈活性和生物相容性，該材料可能成為植入生物傳感器、可穿戴設備和神經形態計算系統的候選材料，在這些系統中，OECT 可能充當人工突觸或非易失性存儲器。

“我們的同事正在制造可以監測癲癇發作前大腦中葡萄糖水平下降的設備，”Nguyen 對英國劍橋大學的一位合作者解釋道。“在檢測到之后，另一種裝置——一種微流體裝置——將在本地輸送藥物，以在該過程發生之前停止該過程。”

Nguyen 表示，由 CPE-K 制成的器件具有同時摻雜和去摻雜的特點，具體取決于離子的類型。“你制造了這個裝置，然后把它放入溶解在水中的液體電解質——氯化鈉[即食鹽]中，”她說。“然后，您可以通過在柵極施加正電壓來驅動鈉遷移到 CPE-K 活性層。或者，您可以改變柵極電壓的極性并驅動氯化物遷移到活性層。每種情況都會產生不同類型的離子注入，這些不同的離子使我們能夠改變設備的操作模式。”

自摻雜還通過消除添加摻雜劑的額外步驟簡化了制造過程。“很多時候，當你添加摻雜劑時，它并沒有均勻地分布在整個材料的體積中，”Nguyen 說。“有機摻雜材料傾向于聚集在一起而不是分散。但因為我們的材料不需要這一步，所以你不會遇到摻雜劑分布不均勻的問題。你也避免了優化摻雜劑和確定摻雜劑的整個過程。正確的混合和比例，所有這些都會增加步驟并使處理復雜化。”

該團隊還為該設備開發了一個物理模型，可以解釋其工作機制并正確預測其在兩種操作模式下的行為，從而證明該設備正在做它看起來正在做的事情。

Visell 總結道：“這種卓越的新型晶體管技術完美地體現了通過化學、物理、材料和電氣工程的融合研究實現的令人驚訝的電子和計算功能。”