Juni 24, 2022

(Nanowerk Nieuws) Decennia lang hebben veldeffecttransistors, mogelijk gemaakt door op silicium gebaseerde halfgeleiders, de elektronische revolutie aangedreven. Maar de afgelopen jaren zijn fabrikanten op harde fysieke grenzen gestuit voor verdere verkleiningen en efficiëntieverbeteringen van siliciumchips. Daarom zoeken wetenschappers en ingenieurs naar alternatieven voor conventionele metaaloxide-halfgeleidertransistors (CMOS). “Organische halfgeleiders bieden verschillende duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele op silicium gebaseerde halfgeleiderapparaten: ze zijn gemaakt van overvloedig beschikbare elementen, zoals koolstof, waterstof en stikstof; ze bieden mechanische flexibiliteit en lage fabricagekosten; en ze kunnen gemakkelijk op grote schaal worden gefabriceerd', merkt Yon Visell, technisch professor aan UC Santa Barbara, op die deel uitmaakt van een groep onderzoekers die met de nieuwe materialen werken. "Misschien nog belangrijker is dat de polymeren zelf kunnen worden gemaakt met behulp van een breed scala aan chemische methoden om de resulterende halfgeleidende apparaten interessante optische en elektrische eigenschappen te geven. Deze eigenschappen kunnen op veel meer manieren worden ontworpen, afgestemd of geselecteerd dan anorganische (bijvoorbeeld op silicium gebaseerde) transistors." De ontwerpflexibiliteit die Visell beschrijft, wordt geïllustreerd door de herconfigureerbaarheid van de apparaten die door UCSB-onderzoekers en anderen in het tijdschrift zijn gerapporteerd Geavanceerde materialen ("Dual-mode organische elektrochemische transistors op basis van zelf-gedoteerde geconjugeerde polyelektrolyten voor herconfigureerbare elektronica"). Conceptillustratie toont zeer mobiele elektronen die over het polymeer bewegen. (Afbeelding: Brian Long) Herconfigureerbare logische circuits zijn van bijzonder belang als kandidaten voor post-CMOS-elektronica, omdat ze het mogelijk maken het circuitontwerp te vereenvoudigen en tegelijkertijd de energie-efficiëntie te verhogen. Een recent ontwikkelde klasse van op koolstof gebaseerde (in tegenstelling tot bijvoorbeeld op silicium of galliumnitride gebaseerde) transistors), organische elektrochemische transistors (OECT's) genoemd, is zeer geschikt gebleken voor herconfigureerbare elektronica. In het recente artikel beschrijven scheikundeprofessor Thuc-Quyen Nguyen, die het UCSB Center for Polymers and Organic Solids leidt, en co-auteurs waaronder Visell een baanbrekend materiaal - een zacht, halfgeleidend op koolstof gebaseerd polymeer - dat unieke voordelen kan bieden ten opzichte van de anorganische halfgeleiders die momenteel worden aangetroffen in conventionele siliciumtransistors. "Herconfigureerbare organische logische apparaten zijn veelbelovende kandidaten voor de volgende generaties efficiënte computersystemen en adaptieve elektronica", schrijven de onderzoekers. "In het ideale geval zouden dergelijke apparaten een eenvoudige structuur en ontwerp hebben, [evenals] energiezuinig en compatibel zijn met high-throughput microfabricagetechnieken."

Conjugeren voor geleidbaarheid

Een geconjugeerde polyelektrolyt, of CPE-K, bestaat uit een centrale geconjugeerde ruggengraat, met afwisselend enkele en dubbele bindingen, en meerdere geladen zijketens waaraan ionen zijn bevestigd. "Het hebben van geconjugeerde bindingen door het polymeer maakt het geleidend, omdat de gedelokaliseerde elektronen een hoge mobiliteit hebben over de lengte van het polymeer", legt hoofdauteur Tung Nguyen-Dang uit, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Nguyen, die mede wordt geadviseerd door Visell. "Je trouwt met twee klassieke materialen, het polymeer en de halfgeleider, in dit moleculaire ontwerp." kunstmatige intelligentie (AI) speelde een rol bij de ontwikkeling van het materiaal. "Je kunt met vallen en opstaan ​​een materiaal maken", zegt Nguyen. “Je kunt er een heleboel maken en er het beste van hopen, en misschien werkt één op de twintig of heeft interessante eigenschappen; we werkten echter samen met een professor aan de California State Northridge, Gang Lu, die AI gebruikte om bouwstenen te selecteren en berekeningen uit te voeren om een ​​globaal idee te krijgen van hoe verder te gaan, gezien het energieniveau en de eigenschappen waar we naar op zoek waren.”

Herconfigureerbaarheid uitzoeken

Een belangrijk voordeel van CPE-K is dat het herconfigureerbare ("dual-mode") logische poorten mogelijk maakt, wat betekent dat ze on-the-fly kunnen worden geschakeld om in de uitputtingsmodus of in de accumulatiemodus te werken, simpelweg door de spanning aan de poort aan te passen. In de uitputtingsmodus is de stroom die door het actieve materiaal tussen de afvoer en de bron stroomt aanvankelijk hoog, voordat een poortspanning wordt toegepast (ook bekend als de AAN-status). Wanneer de poortspanning wordt aangelegd, daalt de stroom en wordt de transistor in de UIT-stand gezet. Accumulatiemodus is het tegenovergestelde - zonder poortspanning staat de transistor in een UIT-stand en het toepassen van een poortspanning levert een hogere stroom op, waardoor het apparaat in de AAN-stand wordt geschakeld. "Conventionele elektronische logische poorten, die de bouwstenen zijn voor alle digitale schakelingen in computers of smartphones, zijn hardware die alleen dat ene werk doen waarvoor ze zijn ontworpen", zegt Nguyen. “Een EN-poort heeft bijvoorbeeld twee ingangen en één uitgang, en als de ingangen die erop worden toegepast allemaal 1 zijn, dan is de uitgang 1. Evenzo heeft een NOR-poort ook twee ingangen en één uitgang, maar als alle ingangen die erop worden toegepast 1 zijn, is de uitgang 0. Elektronische poorten worden geïmplementeerd met behulp van transistors, en het opnieuw configureren ervan (zoals het veranderen van een EN-poort naar een NOR-poort) vereist invasieve aanpassingen, zoals ontmanteling, wat meestal te gecompliceerd is om praktisch te zijn. "Herconfigureerbare poorten, zoals degene die we laten zien, kunnen zich gedragen als beide soorten logische poorten, schakelen van AND naar NOR en vice versa door alleen de poortspanning te veranderen", vervolgt ze. “Momenteel wordt functionaliteit in elektronica bepaald door structuur, maar in ons apparaat kun je het gedrag veranderen en er iets anders van maken door simpelweg de spanning te veranderen die erop wordt toegepast. Als we deze uitvinding opschalen van een enkele poort naar veel complexere circuits die uit veel van dergelijke herconfigureerbare poorten bestaan, kunnen we ons een krachtig stuk hardware voorstellen dat kan worden geprogrammeerd met veel meer functionaliteiten dan conventionele circuits met hetzelfde aantal transistors.” Een ander voordeel van op CPE-K gebaseerde OECT's: ze kunnen worden gebruikt bij zeer lage spanningen, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in persoonlijke elektronica. Dat, gecombineerd met zijn flexibiliteit en bio-compatibiliteit, maakt het materiaal een waarschijnlijke kandidaat voor geïmplanteerde biosensoren, draagbare apparaten en neuromorfe computersystemen waarin OECT's kunnen dienen als kunstmatige synapsen of niet-vluchtige herinneringen. "Onze collega maakt apparaten die de daling van het glucosegehalte in de hersenen kunnen volgen die optreedt vlak voor een aanval", legt Nguyen uit over een medewerker aan de Universiteit van Cambridge in Engeland. "En na detectie zal een ander apparaat - een microfluïdisch apparaat - lokaal een medicijn afgeven om het proces te stoppen voordat het gebeurt." Apparaten gemaakt van CPE-K hebben volgens Nguyen gelijktijdige doping en de-doping, afhankelijk van het type ionen. "Je maakt het apparaat en stopt het in een vloeibare elektrolyt - natriumchloride [dwz tafelzout] opgelost in water", zegt ze. "Je kunt het natrium vervolgens naar de actieve CPE-K-laag laten migreren door een positieve spanning op de poort aan te brengen. Als alternatief kunt u de polariteit van de poortspanning wijzigen en chloride aansturen om naar de actieve laag te migreren. Elk scenario produceert een ander type ioneninjectie, en die verschillende ionen stellen ons in staat om de werkingsmodi van het apparaat te veranderen.” Zelfdoping vereenvoudigt ook het fabricageproces door de extra stap van het toevoegen van doteermiddelen weg te nemen. "Als je een doteermiddel toevoegt, is het vaak niet gelijkmatig verdeeld over het volume van het materiaal", zegt Nguyen. “De organische dopingmaterialen hebben de neiging om samen te clusteren in plaats van te verspreiden. Maar omdat ons materiaal die stap niet nodig heeft, loop je niet tegen het probleem van een ongelijke doteermiddelverdeling aan. Je vermijdt ook het hele proces van het optimaliseren van de doteerstof en het bepalen van de juiste mix en verhoudingen, die allemaal extra stappen toevoegen en de verwerking bemoeilijken.” Het team ontwikkelde ook een natuurkundig model voor het apparaat dat het werkingsmechanisme uitlegt en zijn gedrag in beide werkingsmodi correct voorspelt, en zo aantoont dat het apparaat doet wat het lijkt te doen.