納米紙晶體管開(kāi)啟新時(shí)代
便攜、低成本、可彎曲、綠色環(huán)保，這些都是當(dāng)前電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢(shì)。同濟(jì)大學(xué)與美國(guó)馬里蘭大學(xué)最近聯(lián)合研發(fā)的納米紙晶體管，以納米紙為襯底，全透明、可彎曲、可降解，向紙制電子產(chǎn)品邁出了重要一步。
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黃佳
柔性可彎曲、可折疊是當(dāng)前新一代電子產(chǎn)品的一大重要發(fā)展方向。以手機(jī)為例，隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)從早期“厚磚塊”的大哥大發(fā)展到了小型的掌上機(jī)，體積越來(lái)越小。
隨著智能觸屏手機(jī)的出現(xiàn)，手機(jī)的屏幕開(kāi)始逐步變大。然而，便攜化要求的小體積，與視覺(jué)效果和使用方便所需的屏幕大面積化之間產(chǎn)生了難以調(diào)和的矛盾。柔性顯示屏的出現(xiàn)可以在一定程度上解決這一難題，因?yàn)槿嵝钥蓮澢?、可折疊的顯示屏幕在不使用的時(shí)候可以折疊或者卷成細(xì)筒狀以便于攜帶，在使用時(shí)可以展開(kāi)成大面積的顯示屏幕。
柔性有機(jī)晶體管受追捧
電子產(chǎn)品通常由大量的半導(dǎo)體元件組成，因此柔性可彎曲的電子產(chǎn)品也相應(yīng)地對(duì)半導(dǎo)體器件的柔性提出了要求。在諸多半導(dǎo)體器件中，晶體管是最基本、最重要的元件之一，具備檢波、穩(wěn)壓、整流、放大、開(kāi)關(guān)、信號(hào)調(diào)制等功能。
要使得晶體管具備柔性可彎曲的特性，最直接的辦法是使用柔性的半導(dǎo)體材料來(lái)制備晶體管，而基于柔性可彎曲的有機(jī)半導(dǎo)體材料的有機(jī)晶體管，正是選擇之一，在未來(lái)有希望成為柔性顯示屏幕的核心控制元件，用于控制顯示屏幕的每個(gè)發(fā)光點(diǎn)。
作為一種有機(jī)材料，有機(jī)半導(dǎo)體具有常規(guī)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體所不具備的優(yōu)點(diǎn)和特性，比如：可以通過(guò)有機(jī)合成來(lái)大規(guī)模低成本地制備合成，可以通過(guò)廉價(jià)的沉積方式來(lái)制備成器件，以及加工工藝簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)大面積器件的制備、重量輕、開(kāi)關(guān)電流比率高、具備很強(qiáng)的化學(xué)可修飾性等。而且大多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體柔性可彎曲，這使其在可便攜的柔性電子產(chǎn)品中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
由于其獨(dú)特的性能和應(yīng)用前景，柔性有機(jī)晶體管的研究和開(kāi)發(fā)成為了當(dāng)前有機(jī)電子器件科學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，正受到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及企業(yè)公司越來(lái)越多的關(guān)注，并在近幾年已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
比如日本東京大學(xué)的TakaoSomeya課題組在2010年開(kāi)發(fā)出了曲率半徑僅為0.1～0.3毫米、能在折起來(lái)或揉成一團(tuán)后性能也不會(huì)明顯劣化的超柔性有機(jī)晶體管陣列，并在《自然—材料》上發(fā)表了這一成果。
同一課題組在2012年聯(lián)合了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所、普林斯頓大學(xué)、德國(guó)馬克斯?普朗克研究所，以及日本廣島大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，一起開(kāi)發(fā)了一種新型耐熱柔性有機(jī)晶體管，可適應(yīng)150℃的高溫滅菌，因而具有廣泛的醫(yī)療用途，這一成果發(fā)表于2012年的《自然通訊》期刊。而美國(guó)Rutger大學(xué)的Podzorov課題組也成功研制了低成本、高性能的柔性有機(jī)晶體管，使用簡(jiǎn)單的制備工藝，實(shí)現(xiàn)了0.2毫米量級(jí)的可彎曲半徑，并且其電學(xué)性能達(dá)到了非晶硅晶體管的水平。
納米紙顯威力
常見(jiàn)的柔性有機(jī)晶體管的襯底一般使用不可降解的材料，器件也通常不是透明的。同濟(jì)大學(xué)與美國(guó)馬里蘭大學(xué)最近聯(lián)合研發(fā)的納米紙晶體管，以納米紙為襯底，全透明、可彎曲、可降解，向紙制電子產(chǎn)品邁出了重要一步。
納米紙晶體管最大的優(yōu)點(diǎn)，是將透明、柔性可彎曲、可降解這幾大功能和特性同時(shí)整合在一個(gè)器件上，使其在光學(xué)/電學(xué)性能、制備成本、環(huán)保型等方面得到同步優(yōu)化，成為未來(lái)新一代柔性電子器件的一只潛力股。
如果將電子產(chǎn)品做在塑料襯底材料上，雖然可彎曲且透明，但無(wú)法降解，最終會(huì)產(chǎn)生出大量的電子垃圾污染環(huán)境。而電子垃圾眼下已經(jīng)成為世界面臨的一大問(wèn)題。使用可降解的紙作為代替塑料的襯底材料，可使器件具備綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。
由于普通紙張纖維粗，不透明，表面粗糙，凹凸不平，要在它上面制備半導(dǎo)體層，不僅很難形成完整、連續(xù)、均勻的高質(zhì)量半導(dǎo)體層，并且還容易導(dǎo)致晶體管漏電，相關(guān)技術(shù)和制備工藝面臨不少困難。
相比較而言，納米紙則是比較理想的材料。這種透明光滑的特殊紙張，其制備過(guò)程并不是很復(fù)雜，具體做法是：將普通造紙所用的木漿纖維經(jīng)特殊處理，使其纖維尺度達(dá)到納米量級(jí)，遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。如此制作出來(lái)的納米紙，可有效減少對(duì)光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面如塑料一般光滑，這為接下來(lái)在它上面制備性能優(yōu)良的晶體管電路奠定了重要基礎(chǔ)。
此外，這一材料體系所具備的熱膨脹率低、可彎曲性強(qiáng)、適合用于曲面上等特點(diǎn)，使其成為半導(dǎo)體襯底基板材料的極佳選擇。而部分有機(jī)半導(dǎo)體材料所具備的“可溶性、可打印”等優(yōu)點(diǎn)與紙質(zhì)襯底材料的可打印特性相結(jié)合，更使得通過(guò)全打印方式來(lái)制備電子器件成為可能。
如此一來(lái)，不僅可以進(jìn)一步降低電子產(chǎn)品的成本，或許在不久的將來(lái)，人們還能利用可再生資源印刷出透明、可彎曲的電子設(shè)備?；诩{米紙晶體管以及其他納米紙半導(dǎo)體器件的柔性電子器件，將在顯示屏幕、電子標(biāo)簽、化學(xué)/生物傳感器、低成本可拋棄電子器件等領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。
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