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窗……這些聽起來就會讓人興奮不已的高科技產品或將很快成為現實。
近日，復旦大學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大規模生產應用中的關鍵瓶頸，有望加速柔性電子技術的大規模應用。其相關論文發表于最近出版的國際權威性學術期刊《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效應晶體管器件。“它是柔性電子技術的核心，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。”復旦大學信息科學與工程學院副教授仇志軍說，科學界對有機薄膜晶體管的研究可追溯到上世紀80年代。
科學家的興趣源自有機薄膜晶體管無可比擬的優勢。仇志軍介紹，無機薄膜晶體管只能以平面方式顯示，無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，與無機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管加工設備簡單，前期投入成本低；加工過程屬于低溫工藝，一般在180℃以下，工藝簡單，不會對環境造成污染；更重要的是，它質輕、膜薄，具有良好的柔韌性，可以大面積“印刷”在任意材料表面，達到大幅降低生產成本的目的。
與此同時，嚴峻的現實挑戰也讓業界和科學界賦予有機薄膜晶體管更多的熱情。隨著半導體器件尺寸走向量子極限，國際半導體技術發展藍圖組織評估，硅集成電路技術在未來10至15年可能走到盡頭。“作為新一代柔性顯示的核心技術，有機薄膜晶體管被視為傳統硅集成電路的替代品。”復旦大學信息科學與工程學院教授劉冉說，所謂柔性，即可彎曲、折疊甚至拉伸。
此外，蓬勃發展的物聯網也讓有機薄膜晶體管的研究更加炙手可熱。有關專家預測，2015年我國物聯網市場規模有望超過10000億元，到2020年將超過50000億元。
“搭建物聯網的基礎是數以億計的信息傳感設備，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’的關鍵技術。”仇志軍進一步解釋說，要將物與物聯系在一起，必須通過功能各異的傳感器感知并傳遞周圍環境信息，而物聯網技術的發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需求將在未來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“很美”，遺憾的是，各國科學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展，但仍面臨諸多困難。
劉冉告訴記者，與成熟的無機薄膜晶體管相比，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，因此應用起來比較困難；二是可靠性差、壽命短，在應用時可能不穩定。
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決定聯合瑞典烏普薩拉大學和瑞典皇家理工學院對有機薄膜晶體管展開“攻勢”。他們發現，如果對這些有機材料進行某種程度的修飾，比如，采用碳納米管摻雜的有機半導體材料，就可顯著改善有機薄膜晶體管的電學性能。功夫不負有心人，經過5年反復試驗，他們成功將有機薄膜遷移率增加了4個數量級，接近多晶硅的水平，達到了可實用的量級。
不久，美國科學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現。“不過，在此之前先需知道影響其穩定性的內在機理，國際學界對有機薄膜晶體管性能不穩定的成因和來源莫衷一是。”仇志軍說，一般認為，外界環境，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重要影響，導致器件性能發生變化。
復旦大學科研團隊通過反復研究、論證，他們發現影響有機薄膜晶體管穩定性的來源存在共性，即空氣中大量存在的水分子和氧氣分子。“大氣環境下，這兩種分子會與有機薄膜晶體管發生直接接觸，產生水氧電化學反應，阻礙器件正常工作。”仇志軍進一步解釋說。
據此，他們進一步提出水氧電化學反應與有機薄膜載流子相互作用模型，即“海綿效應”模型。實驗證實，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，還可以解釋類似碳納米管和石墨烯之類具有高導電特性的薄膜器件。
“根據這個模型，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。這為將來大規模應用提供了理論指導和依據。”專家們表示。
彎曲手機折疊電視或成真
不久的未來，你的家中或許不再需要一盞燈，取而代之的是一面會發光的墻；家中的電視不僅越來越超薄，還可隨意折疊……暢想有機薄膜晶體管的未來，劉冉信心滿滿：“雖然有機薄膜晶體管并不能取代硅的集成電路，但能夠實現一些新的應用。”
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，對紙幣進行類似于IC卡或身份證的編碼，防偽效果會非常好，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。“目前已經問世的可穿戴設備，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能夠做到任意彎曲，今后隨著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，屆時可穿戴設備或將真正走進我們的生活。
“可以預見，隨著有機薄膜晶體管運行速度的不斷提高，未來在那些對芯片本身性能要求不高，但能大面積靈活運動的領域，如平板顯示和驅動、醫學成像、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廣泛的應用前景。”劉冉表示。
“或許再等30多年，這些看起來遙不可及的幻想或將成為現實。”仇志軍坦陳，有機薄膜晶體管目前仍處于實驗室階段，走向大規模的工業化生產，還有很長距離。
“作為一項前沿技術，我國在有機薄膜晶體管研究方面取得一定進展，但與國外仍有一定差距。”在仇志軍看來，鑒于目前世界上還沒有任何一個國家或地區，在有機薄膜晶體管的研發應用領域擁有絕對優勢。因此，只要我國重視并增加研發投入，相信可以在材料、器件以及系統集成方面搶占先機，使其成為一個高技術、引領性的產業。
