可像紙一樣隨意卷起放入口袋的手機、可任意彎曲折疊的電視、可顯示新聞股市和天氣預報的車(chē)窗……這些聽(tīng)起來(lái)就會(huì )讓人興奮不已的高科技產(chǎn)品或將很快成為現實(shí)。

    近日，復旦大學(xué)研究者首次揭示了影響有機薄膜晶體管性能穩定性的作用機制，這一成果突破了該技術(shù)大規模生產(chǎn)應用中的關(guān)鍵瓶頸，有望加速柔性電子技術(shù)的大規模應用。其相關(guān)論文發(fā)表于最近出版的國際權威性學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》雜志上——

    可“印刷”在任意材料表面

    有機薄膜晶體管（OTFT，organic thin film transistor）是以有機半導體材料為有源層的場(chǎng)效應晶體管器件。“它是柔性電子技術(shù)的核心，基本結構和功能與傳統的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是它采用有機材料作為工作物質(zhì)。”復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授仇志軍說(shuō)，科學(xué)界對有機薄膜晶體管的研究可追溯到上世紀80年代。

    科學(xué)家的興趣源自有機薄膜晶體管無(wú)可比擬的優(yōu)勢。仇志軍介紹，無(wú)機薄膜晶體管只能以平面方式顯示，無(wú)法做到很有彈性的彎曲顯示，而有機薄膜晶體管因為使用有機材料，則可任意彎曲與伸展，由此真正解放了柔性襯底的柔性，可誕生眾多新型應用領(lǐng)域。比如，可被制作于軟性基板上，成為可彎曲的顯示器。

    不僅如此，與無(wú)機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管加工設備簡(jiǎn)單，前期投入成本低；加工過(guò)程屬于低溫工藝，一般在180℃以下，工藝簡(jiǎn)單，不會(huì )對環(huán)境造成污染；更重要的是，它質(zhì)輕、膜薄，具有良好的柔韌性，可以大面積“印刷”在任意材料表面，達到大幅降低生產(chǎn)成本的目的。

    與此同時(shí)，嚴峻的現實(shí)挑戰也讓業(yè)界和科學(xué)界賦予有機薄膜晶體管更多的熱情。隨著(zhù)半導體器件尺寸走向量子極限，國際半導體技術(shù)發(fā)展藍圖組織評估，硅集成電路技術(shù)在未來(lái)10至15年可能走到盡頭。“作為新一代柔性顯示的核心技術(shù)，有機薄膜晶體管被視為傳統硅集成電路的替代品。”復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授劉冉說(shuō)，所謂柔性，即可彎曲、折疊甚至拉伸。

    此外，蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)也讓有機薄膜晶體管的研究更加炙手可熱。有關(guān)專(zhuān)家預測，2015年我國物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規模有望超過(guò)10000億元，到2020年將超過(guò)50000億元。

    “搭建物聯(lián)網(wǎng)的基礎是數以?xún)|計的信息傳感設備，由于特有的彎曲性和可延展性，有機薄膜晶體管成為連接‘物’與‘云’的關(guān)鍵技術(shù)。”仇志軍進(jìn)一步解釋說(shuō)，要將物與物聯(lián)系在一起，必須通過(guò)功能各異的傳感器感知并傳遞周?chē)h(huán)境信息，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟也對傳感器提出了新的要求，低成本、低功耗、可印刷的柔性薄膜傳感器的市場(chǎng)需求將在未來(lái)10年急劇增加。

    “海綿效應”突破應用障礙

    盡管有機薄膜晶體管看起來(lái)“很美”，遺憾的是，各國科學(xué)家雖然在有機薄膜晶體管的材料、器件、系統集成以及制備工藝方面取得了一定進(jìn)展，但仍面臨諸多困難。

    劉冉告訴記者，與成熟的無(wú)機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管的大規模應用主要存在兩大障礙，一是材料遷移率低下、導電能力差，因此應用起來(lái)比較困難；二是可靠性差、壽命短，在應用時(shí)可能不穩定。

    挑戰并未放慢研究人員追尋有機薄膜晶體管的腳步。2008年，從事有機半導體材料研究的仇志軍與劉冉?jīng)Q定聯(lián)合瑞典烏普薩拉大學(xué)和瑞典皇家理工學(xué)院對有機薄膜晶體管展開(kāi)“攻勢”。他們發(fā)現，如果對這些有機材料進(jìn)行某種程度的修飾，比如，采用碳納米管摻雜的有機半導體材料，就可顯著(zhù)改善有機薄膜晶體管的電學(xué)性能。功夫不負有心人，經(jīng)過(guò)5年反復試驗，他們成功將有機薄膜遷移率增加了4個(gè)數量級，接近多晶硅的水平，達到了可實(shí)用的量級。

    不久，美國科學(xué)家也宣布制造出目前世界上運行最快的有機薄膜晶體管，證明了該技術(shù)在制造透明電子設備上的巨大潛力。

    但如何提高有機薄膜晶體管的性能穩定性仍一直困擾著(zhù)眾多研究團隊，這很大程度上決定了其大規模應用能否順利實(shí)現。“不過(guò)，在此之前先需知道影響其穩定性的內在機理，國際學(xué)界對有機薄膜晶體管性能不穩定的成因和來(lái)源莫衷一是。”仇志軍說(shuō)，一般認為，外界環(huán)境，如水、氧以及光照和溫度等都對有機薄膜晶體管的穩定性有著(zhù)重要影響，導致器件性能發(fā)生變化。

    復旦大學(xué)科研團隊通過(guò)反復研究、論證，他們發(fā)現影響有機薄膜晶體管穩定性的來(lái)源存在共性，即空氣中大量存在的水分子和氧氣分子。“大氣環(huán)境下，這兩種分子會(huì )與有機薄膜晶體管發(fā)生直接接觸，產(chǎn)生水氧電化學(xué)反應，阻礙器件正常工作。”仇志軍進(jìn)一步解釋說(shuō)。

    據此，他們進(jìn)一步提出水氧電化學(xué)反應與有機薄膜載流子相互作用模型，即“海綿效應”模型。實(shí)驗證實(shí)，該模型為統一理論模型，不但可以解釋低導電特性的有機薄膜晶體管，還可以解釋類(lèi)似碳納米管和石墨烯之類(lèi)具有高導電特性的薄膜器件。

    “根據這個(gè)模型，研究人員可利用在有機薄膜晶體管的表面加合適的保護層等手段克服當前有機薄膜晶體管的不穩定性。這為將來(lái)大規模應用提供了理論指導和依據。”專(zhuān)家們表示。

    彎曲手機折疊電視或成真

    不久的未來(lái)，你的家中或許不再需要一盞燈，取而代之的是一面會(huì )發(fā)光的墻；家中的電視不僅越來(lái)越超薄，還可隨意折疊……暢想有機薄膜晶體管的未來(lái)，劉冉信心滿(mǎn)滿(mǎn)：“雖然有機薄膜晶體管并不能取代硅的集成電路，但能夠實(shí)現一些新的應用。”

    比如，可以用于提高紙幣防偽功能。有機薄膜晶體管做成后，可以鑲嵌到紙幣中，對紙幣進(jìn)行類(lèi)似于IC卡或身份證的編碼，防偽效果會(huì )非常好，如果晶體管內加入一些電路信號，還可以知道紙幣如何流通。

    再如，加速可穿戴設備的應用。“目前已經(jīng)問(wèn)世的可穿戴設備，采用的是比較硬的MOS晶體管，大都只能做到部分彎曲，很難做到可以隨意折疊、拉伸。”仇志軍認為，真正意義上的柔性電子技術(shù)能夠做到任意彎曲，今后隨著(zhù)有機薄膜晶體管性能穩定性的提高，有望制造出更加柔軟的電子設備，屆時(shí)可穿戴設備或將真正走進(jìn)我們的生活。

    “可以預見(jiàn)，隨著(zhù)有機薄膜晶體管運行速度的不斷提高，未來(lái)在那些對芯片本身性能要求不高，但能大面積靈活運動(dòng)的領(lǐng)域，如平板顯示和驅動(dòng)、醫學(xué)成像、智能包裝、大面積傳感器及照明等方面，有機薄膜晶體管有著(zhù)廣泛的應用前景。”劉冉表示。

    “或許再等30多年，這些看起來(lái)遙不可及的幻想或將成為現實(shí)。”仇志軍坦陳，有機薄膜晶體管目前仍處于實(shí)驗室階段，走向大規模的工業(yè)化生產(chǎn)，還有很長(cháng)距離。

    “作為一項前沿技術(shù)，我國在有機薄膜晶體管研究方面取得一定進(jìn)展，但與國外仍有一定差距。”在仇志軍看來(lái)，鑒于目前世界上還沒(méi)有任何一個(gè)國家或地區，在有機薄膜晶體管的研發(fā)應用領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢。因此，只要我國重視并增加研發(fā)投入，相信可以在材料、器件以及系統集成方面搶占先機，使其成為一個(gè)高技術(shù)、引領(lǐng)性的產(chǎn)業(yè)。