| 2022年6月24日 |
新材料對下一代有機電子設備有希望（（Nanowerk新聞）數十年來，基於矽的半導體啟用了現場效應晶體管，為電子革命提供了動力。但是近年來，製造商已經麵臨著艱苦的物理限製，以進一步降低矽芯片的尺寸和效率增長。這讓科學家和工程師正在尋找傳統金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管的替代方案。 |
| “有機半導體比常規的基於矽的半導體設備具有多種不同的優勢：它們是由碳，氫和氮等豐富可用元素製成的；它們提供機械靈活性和低成本的製造成本；加州大學聖塔芭芭拉（UC Santa Barbara）工程教授Yon Visell指出，它們可以輕鬆地進行大規模製造。“也許更重要的是，可以使用多種化學方法來製作聚合物本身，以賦予所得的半導體設備具有有趣的光學和電氣性能。這些屬性可以以多種方式（例如基於矽的）晶體管設計，調整或選擇。” |
| Visell所描述的設計靈活性在《 UCSB研究人員》和《期刊上報道的其他設備的可重新配置》中舉例說明了高級材料（（“基於可重構電子設備的自載共軛聚電解質的雙模式有機電化學晶體管”）。 |
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| 概念插圖描述了高度移動的電子在聚合物中移動。（圖片：Brian Long） |
| 可重新配置的邏輯電路特別引起了CMOS後電子設備的候選，因為它們可以簡化電路設計的同時提高能源效率。最近，一個被稱為有機電化學晶體管（OECTS）開發了一類碳基類（例如，基於矽或氮化殼）的晶體管，已被證明非常適合可重新配置的電子學。 |
| 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，包括Visell在內的合著者描述了一種突破性的材料 - 一種柔軟的，半導體的碳基聚合物 - 可以提供比在整個領域的獨特優勢目前在常規矽晶體管中發現的無機半導體。 |
| 研究人員寫道：“對於下一代有效的計算係統和自適應電子設備，可重新配置的有機邏輯設備是有希望的候選人。”“理想情況下，此類設備將具有簡單的結構和設計，並且具有功率效率，並且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由中央共軛主鏈組成，具有交替的單鍵和雙鍵，以及帶有離子的多個帶電的側鏈。“在整個聚合物中共軛鍵使其引導性，因為離域電子在聚合物的長度上具有較高的遷移率，” Nguyen實驗室的博士後研究員Tung Nguyen-Dang解釋說，Visell由Visell共同研究。“您要在這種分子設計中嫁給兩種經典材料，即聚合物和半導體。” |
| 人工智能（AI）在開發材料中發揮了作用。 |
| “您可以通過反複試驗進行製作材料，” Nguyen說。“您可以製作一大堆它們，並希望獲得最好的東西，也許是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立諾斯裏奇（Gang Lu）的一位教授合作，鑒於我們目標的能源水平和財產，他使用人工智能選擇了構建塊並進行計算以了解如何進行。” |
弄清楚可重構性 |
| CPE-K的一個關鍵好處是，它可以啟用可重新配置（“雙模式”）邏輯門，這意味著它們可以在耗盡模式或累積模式下飛行切換，隻需調整門上的電壓即可。 |
| 在耗盡模式下，在應用任何柵極電壓之前（又稱為ON狀態）之前，流經排水和源之間的活性材料的電流最初為高。當施加柵極電壓時，電流下降和晶體管轉動到OFF狀態。累積模式是相反的 - 沒有門電壓，晶體管處於關閉位置，施加柵極電壓會產生更高的電流，從而將設備切換到ON狀態。 |
| Nguyen說：“傳統的電子邏輯門是在計算機或智能手機中發現的所有數字電路的構建塊，都是硬件，隻能做他們設計的一項工作。”“例如，AN和GATE具有兩個輸入和一個輸出，如果應用於其上的輸入為1，則輸出為1。類似地，A Nor Gate還具有兩個輸入和一個輸出，但是如果所有的輸出應用於它的輸入是1，然後輸出為0。電子門是使用晶體管實現的，並重新配置它們（例如從An和Gate更改為Nor Gate）需要侵入性修改，例如拆卸，通常太複雜了實用。 |
| 她繼續說：“像我們所展示的那樣，可重新配置的門可以作為兩種類型的邏輯門的行為，反之亦然，反之亦然。”“目前在電子設備中，功能是由結構定義的，但是在我們的設備中，您可以通過更改應用於其應用的電壓來改變行為並做出其他功能。如果我們將本發明從單個門擴展到由許多這樣的可重構門組成的更複雜的電路，那麼我們可以設想一個強大的硬件，該硬件可以用比具有相同數量的晶體管數量的傳統功能更具功能來編程。” |
| 基於CPE-K的OECT的另一個優點：它們可以以非常低的電壓操作，使其適合於個人電子產品。結合其靈活性和生物兼容性，使該材料成為植入生物傳感器，可穿戴設備和神經形態計算係統的可能候選者，其中OECT可以用作人工突觸或非揮發性記憶。 |
| Nguyen解釋說：“我們的同事正在製作可以監測癲癇發作前發生的大腦中葡萄糖水平下降的設備。”“在檢測後，另一個設備（一種微流體設備）將在當地提供藥物以在過程發生之前停止。” |
| 根據Nguyen的說法，由CPE-K製成的設備同時摻雜和興奮劑取決於離子的類型。她說：“您製作設備並將其放入液體電解質中 - 溶於水中的氯化鈉[即奶油]。”“然後，您可以通過在門上施加正電壓來驅動鈉遷移到CPE-K活動層中。另外，您可以更改門電壓的極性，並驅動氯化物以遷移到活動層。每種情況都會產生不同類型的離子注入，而這些不同的離子使我們能夠更改設備操作的模式。” |
| 自我興奮劑還可以通過刪除添加摻雜劑的額外步驟來簡化製造過程。“很多時候，當您添加一個摻雜劑時，它在整個材料的整體中都不會均勻分布，” Nguyen說。“有機摻雜材料傾向於聚集在一起而不是分散。但是，由於我們的材料不需要那一步，因此您不會遇到摻雜劑分布的問題。您還避免了優化摻雜劑並確定正確的混合和比例的整個過程，所有這些過程均增加了步驟並使處理複雜化。” |
| 該團隊還為該設備開發了一個物理模型，該模型解釋了其工作機製，並在兩種操作模式中都正確預測了其行為，從而證明該設備正在做似乎正在做的事情。 |
| Visell得出結論：“這種非凡的新晶體管技術理想地說明了通過在化學，物理，材料和電氣工程方麵的收斂研究來實現令人驚訝的電子和計算功能。” |
