Новият материал обещава за следващото поколение органична електроника

В продължение на десетилетия полеви транзистори, активирани от базирани на силиций полупроводници, захранваха революцията в електрониката. Но през последните години производителите се сблъскаха с твърди физически ограничения за по-нататъшно намаляване на размера и повишаване на ефективността на силициевите чипове. Това кара учени и инженери да търсят алтернативи на конвенционалните метал-оксидни полупроводникови (CMOS) транзистори.

„Органичните полупроводници предлагат няколко различни предимства пред конвенционалните полупроводникови устройства на базата на силиций: те са направени от изобилно налични елементи, като въглерод, водород и азот; те предлагат механична гъвкавост и ниска цена на производство; и те могат да бъдат изработени лесно в мащаб“, отбелязва професорът по инженерство в Калифорнийския университет в Санта Барбара Йон Висел, част от група изследователи, работещи с новите материали. „Може би по-важното е, че самите полимери могат да бъдат изработени с помощта на голямо разнообразие от химически методи, за да придадат на получените полупроводникови устройства интересни оптични и електрически свойства. Тези свойства могат да бъдат проектирани, настроени или избрани по много повече начини, отколкото неорганичните (например, базирани на силиций) транзистори.

Гъвкавостта на дизайна, която Visell описва, е илюстрирана в преконфигурирането на устройствата, докладвани от изследователи на UCSB и други в списанието Advanced Materials.

Реконфигурируемите логически схеми са от особен интерес като кандидати за електрониката след CMOS, тъй като правят възможно опростяването на дизайна на веригата, като същевременно повишават енергийната ефективност. Един наскоро разработен клас транзистори на основата на въглерод (за разлика от, да речем, базирани на силиций или галиев нитрид) транзистори, наречени органични електрохимични транзистори (OECT), е доказано, че е много подходящ за преконфигурируема електроника.

В неотдавнашната статия професорът по химия Thuc-Quyen Nguyen, който ръководи UCSB Центъра за полимери и органични твърди вещества, и съавтори, включително Visell, описват пробивен материал – мек, полупроводников полимер на основата на въглерод – който може да осигури уникални предимства пред неорганични полупроводници, намиращи се в момента в конвенционалните силициеви транзистори.

„Преконфигурируемите органични логически устройства са обещаващи кандидати за следващите поколения ефективни изчислителни системи и адаптивна електроника“, пишат изследователите. „В идеалния случай такива устройства биха били с проста структура и дизайн, [as well as] енергийно ефективни и съвместими с високопроизводителни техники за микропроизводство.

Конюгиране за проводимост

Конюгираният полиелектролит или CPE-K се състои от централен конюгиран гръбнак с редуващи се единични и двойни връзки и множество заредени странични вериги с прикачени йони. „Наличието на конюгирани връзки в целия полимер го прави проводим, тъй като делокализираните електрони имат висока подвижност по дължината на полимера“, обяснява водещият автор Тунг Нгуен-Данг, постдокторант в лабораторията на Нгуен, който е съвместно съветван от Visell. “Вие се жените за два класически материала, полимера и полупроводника, в този молекулен дизайн.”

Изкуственият интелект (AI) изигра роля в разработването на материала. „Можете да продължите чрез проба и грешка, за да направите материал“, казва Нгуен. „Можеш да направиш цял куп от тях и да се надяваш на най-доброто, а може би една от двадесет работи или има интересни свойства; обаче работихме с професор в Калифорнийския щат Нортридж, Ганг Лу, който използва AI, за да избере градивни елементи и да направи изчисления, за да получи груба представа как да продължим, като се има предвид нивото на енергия и свойствата, към които се стремихме.

Измисляне на възможността за преконфигуриране

Едно от ключовите предимства на CPE-K е, че дава възможност за преконфигуриране („двоен режим“) логически порти, което означава, че те могат да бъдат превключени в движение, за да работят или в режим на изчерпване, или в режим на натрупване, просто чрез регулиране на напрежението на порта. В режим на изчерпване, токът, протичащ през активния материал между дренажа и източника, първоначално е висок, преди прилагането на каквото и да е напрежение на портата (известно още като състояние ON). Когато се приложи напрежението на порта, токът спада и транзисторът се превръща в състояние OFF. Режимът на акумулиране е обратен – без напрежение на портата, транзисторът е в ИЗКЛЮЧЕНО положение и прилагането на напрежение на порта дава по-висок ток, превключвайки устройството в състояние ON.

„Конвенционалните електронни логически порти, които са градивните елементи за всички цифрови схеми, намиращи се в компютрите или смартфоните, са хардуер, който върши само една работа, за която са предназначени“, казва Нгуен. „Например, портата И има два входа и един изход и ако всички входове, приложени към него, са 1, тогава изходът ще бъде 1. По същия начин портата NOR също има два входа и един изход, но ако всички от входовете, приложени към него, са 1, тогава изходът ще бъде 0. Електронните порти се реализират с помощта на транзистори и преконфигурирането им (като промяна от порта И на порта NOR) изисква инвазивна модификация, като демонтиране, което обикновено е твърде сложно да бъде практичен.

„Преконфигурируемите порти, като този, който показваме, могат да се държат и като двата типа логически врати, превключвайки от И към NOR и обратно, като променят само напрежението на портата“, продължава тя. „В момента в електрониката функционалността се определя от структурата, но в нашето устройство можете да промените поведението и да го направите нещо друго, само като промените напрежението, приложено към него. Ако разширим това изобретение от единичен гейт до много по-сложни схеми, състоящи се от много такива преконфигурируеми порти, можем да си представим мощен хардуер, който може да бъде програмиран с много повече функционалности от конвенционалните такива със същия брой транзистори.

Друго предимство на базираните на CPE-K OECT: те могат да работят при много ниско напрежение, което ги прави подходящи за използване в лична електроника. Това, съчетано с неговата гъвкавост и биосъвместимост, прави материала вероятен кандидат за имплантирани биосензори, носими устройства и невроморфни изчислителни системи, в които OECT могат да служат като изкуствени синапси или енергонезависими спомени.

„Нашият колега прави устройства, които могат да наблюдават спадането на нивата на глюкоза в мозъка, което се случва точно преди припадъка“, обяснява Нгуен за сътрудник от университета в Кеймбридж в Англия. “И след откриването, друго устройство – микрофлуидно устройство – ще достави лекарство локално, за да спре процеса, преди да се случи.”

Устройствата, направени от CPE-K, имат едновременно допинг и де-допинг в зависимост от вида йони, според Нгуен. „Правиш устройството и го поставяш в течен електролит – натриев хлорид [i.e., table salt] разтворен във вода “, казва тя. „След това можете да накарате натрия да мигрира в активния слой на CPE-K, като приложите положително напрежение към портата. Като алтернатива можете да промените полярността на напрежението на портата и да задвижите хлорида, за да мигрира към активния слой. Всеки сценарий произвежда различен тип йонна инжекция и тези различни йони са това, което ни позволява да променяме режимите на работа на устройството.

Самодопирането също опростява производствения процес, като премахва допълнителната стъпка от добавяне на добавки. „Много пъти, когато добавяте добавка, тя не е равномерно разпределена в целия обем на материала“, казва Нгуен. „Органичните допингови материали са склонни да се групират, вместо да се разпръскват. Но тъй като нашият материал не се нуждае от тази стъпка, не се натъквате на проблема с неравномерното разпределение на добавката. Вие също така избягвате целия процес на оптимизиране на добавката и определяне на правилната смес и пропорции, като всички добавят стъпки и усложняват обработката.”

Екипът също така разработи физически модел за устройството, който обяснява неговия работен механизъм и правилно прогнозира поведението му и в двата режима на работа, като по този начин демонстрира, че устройството прави това, което изглежда, че прави.

Visell заключава: „Тази забележителна нова транзисторна технология идеално илюстрира изненадващите електронни и изчислителни функционалности, които са активирани чрез конвергентни изследвания в химията, физиката, материалите и електротехниката.