Haziran 24, 2022

(Nanowerk Haberleri) On yıllardır, silikon bazlı yarı iletkenler tarafından etkinleştirilen alan etkili transistörler, elektronik devrimine güç vermiştir. Ancak son yıllarda üreticiler, silikon çiplerin boyutlarını daha da küçültmek ve verimlilik kazanımları için katı fiziksel sınırlarla karşı karşıya kaldılar. Bu, geleneksel metal oksit yarı iletken (CMOS) transistörlere alternatif arayan bilim adamları ve mühendislere sahiptir. “Organik yarı iletkenler, geleneksel silikon bazlı yarı iletken cihazlara göre birkaç belirgin avantaj sunar: karbon, hidrojen ve nitrojen gibi bol miktarda bulunan elementlerden yapılırlar; mekanik esneklik ve düşük üretim maliyeti sunarlar; Yeni malzemelerle çalışan bir grup araştırmacının parçası olan UC Santa Barbara mühendislik profesörü Yon Visell'e göre, bunlar kolayca ölçekli olarak üretilebilirler. "Belki daha da önemlisi, polimerlerin kendileri, ortaya çıkan yarı iletken cihazlara ilginç optik ve elektriksel özellikler kazandırmak için çok çeşitli kimya yöntemleri kullanılarak üretilebilir. Bu özellikler, inorganik (örneğin silikon bazlı) transistörlerden çok daha fazla şekilde tasarlanabilir, ayarlanabilir veya seçilebilir.” Visell'in tanımladığı tasarım esnekliği, UCSB araştırmacıları ve dergideki diğerleri tarafından bildirilen cihazların yeniden yapılandırılabilirliğinde örneklenmiştir. Gelişmiş malzemeler (“Yeniden Yapılandırılabilir Elektronikler için Kendinden Katkılı Konjuge Polielektrolitlere Dayalı Çift Modlu Organik Elektrokimyasal Transistörler”). Konsept illüstrasyon, polimer boyunca hareket eden son derece hareketli elektronları gösterir. (Resim: Brian Long) Yeniden yapılandırılabilir mantık devreleri, enerji verimliliğini artırırken devre tasarımını basitleştirmeyi mümkün kıldıklarından, CMOS sonrası elektronik için adaylar olarak özellikle ilgi çekicidir. Organik elektrokimyasal transistörler (OECT'ler) olarak adlandırılan, yakın zamanda geliştirilen bir karbon bazlı (örneğin silikon veya galyum nitrür bazlı) transistörler sınıfının, yeniden yapılandırılabilir elektronikler için çok uygun olduğu gösterilmiştir. Yakın tarihli makalede, UCSB Polimerler ve Organik Katılar Merkezi'ni yöneten kimya profesörü Thuc-Quyen Nguyen ve Visell'in de aralarında bulunduğu ortak yazarlar, çığır açan bir malzemeyi - yumuşak, yarı iletken karbon bazlı bir polimer - ve bu malzemeye kıyasla benzersiz avantajlar sağlayabileceklerini açıklıyor. şu anda geleneksel silikon transistörlerde bulunan inorganik yarı iletkenler. Araştırmacılar, “Yeniden yapılandırılabilir organik mantık cihazları, gelecek nesil verimli bilgi işlem sistemleri ve uyarlanabilir elektronikler için umut verici adaylar” diye yazıyor. "İdeal olarak, bu tür cihazlar basit bir yapıya ve tasarıma sahip olacak, [aynı zamanda] güç açısından verimli ve yüksek verimli mikrofabrikasyon teknikleriyle uyumlu olacaktır."

İletkenlik için Konjugasyon

Bir konjuge polielektrolit veya CPE-K, değişen tek ve çift bağlara sahip merkezi bir konjuge omurgadan ve iyonların bağlı olduğu çoklu yüklü yan zincirlerden oluşur. Nguyen'in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve Visell tarafından birlikte tavsiye edilen baş yazar Tung Nguyen-Dang, “Polimer boyunca konjuge bağlara sahip olması onu iletken kılar, çünkü delokalize elektronlar polimerin uzunluğu boyunca yüksek hareketliliğe sahiptir” diye açıklıyor. "Bu moleküler tasarımda iki klasik malzemeyle, polimer ve yarı iletkenle evleniyorsunuz." Yapay zeka (AI) materyalin geliştirilmesinde rol oynadı. Nguyen, "Bir malzeme yapmak için deneme yanılma yoluyla ilerleyebilirsiniz" diyor. “Bir sürü yapıp en iyisini umabilirsin ve belki yirmi eserden biri ya da ilginç özellikleri var; bununla birlikte, hedeflediğimiz enerji seviyesi ve özellikleri göz önüne alındığında, yapı taşlarını seçmek ve nasıl ilerleyeceğine dair kabaca bir fikir edinmek için hesaplamalar yapmak için yapay zekayı kullanan, California Eyaleti Northridge'de bir profesör olan Gang Lu ile çalıştık."

Yeniden Yapılandırılabilirliği Anlamak

CPE-K'nin önemli bir yararı, yeniden yapılandırılabilir ("ikili mod") mantık kapılarını etkinleştirmesidir; yani, kapıdaki voltajı ayarlayarak, tükenme modunda veya biriktirme modunda çalışmak üzere anında açılabilirler. Tüketim modunda, herhangi bir kapı voltajı uygulanmadan önce, drenaj ve kaynak arasındaki aktif malzemeden akan akım başlangıçta yüksektir (diğer adıyla AÇIK durumu). Kapı voltajı uygulandığında akım düşer ve transistör KAPALI duruma getirilir. Biriktirme modu tam tersidir - geçit voltajı olmadan, transistör KAPALI konumdadır ve bir kapı voltajı uygulamak daha yüksek akım vererek cihazı AÇIK duruma getirir. Nguyen, “Bilgisayarlarda veya akıllı telefonlarda bulunan tüm dijital devrelerin yapı taşları olan geleneksel elektronik mantık kapıları, yalnızca tasarlandıkları işi yapan donanımlardır” diyor. “Örneğin, bir AND geçidinin iki girişi ve bir çıkışı vardır ve buna uygulanan girişlerin tümü 1 ise, çıkış 1 olacaktır. Benzer şekilde, bir NOR geçidinin de iki girişi ve bir çıkışı vardır, ancak kendisine uygulanan tüm girişler 1 ise, çıkış 0 olacaktır. Elektronik kapılar, transistörler kullanılarak uygulanır ve bunların yeniden yapılandırılması (AND geçidinden NOR geçidine geçiş gibi), genellikle pratik olamayacak kadar karmaşık olan sökme gibi istilacı modifikasyon gerektirir. "Gösterdiğimiz gibi yeniden yapılandırılabilir kapılar, yalnızca geçit voltajını değiştirerek VE'den NOR'a veya tam tersine geçiş yaparak her iki tür mantık kapısı gibi davranabilir" diye devam ediyor. “Şu anda elektronikte işlevsellik yapı ile tanımlanır, ancak bizim cihazımızda sadece uygulanan voltajı değiştirerek davranışı değiştirebilir ve başka bir şey yapabilirsiniz. Bu buluşu tek bir kapıdan, bu tür birçok yeniden yapılandırılabilir kapıdan oluşan çok daha karmaşık devrelere doğru ölçeklendirirsek, aynı sayıda transistöre sahip geleneksel olanlardan çok daha fazla işlevsellik ile programlanabilen güçlü bir donanım parçası tasavvur edebiliriz." CPE-K tabanlı OECT'lerin bir başka avantajı: çok düşük voltajlarda çalıştırılabilmeleri, onları kişisel elektronikte kullanıma uygun hale getirir. Bu, esnekliği ve biyo-uyumluluğu ile birleştiğinde, materyali implante edilmiş biyosensörler, giyilebilir cihazlar ve OECT'lerin yapay sinapslar veya uçucu olmayan anılar olarak hizmet edebileceği nöromorfik bilgi işlem sistemleri için olası bir aday yapar. Nguyen, İngiltere'deki Cambridge Üniversitesi'nden bir işbirlikçiden, "Meslektaşımız, bir nöbetten hemen önce beyindeki glikoz seviyesindeki düşüşü izleyebilen cihazlar yapıyor" diye açıklıyor. "Ve tespitten sonra, başka bir cihaz - bir mikroakışkan cihaz - süreci gerçekleşmeden önce durdurmak için yerel olarak bir ilaç verecek." Nguyen'e göre, CPE-K'dan yapılan cihazlar, iyonların türüne bağlı olarak eşzamanlı doping ve de-doping özelliğine sahiptir. “Cihazı yaparsınız ve onu suda çözünmüş bir sıvı elektrolit - sodyum klorür [yani sofra tuzu] içine koyarsınız” diyor. "Daha sonra, kapıda pozitif bir voltaj uygulayarak sodyumun CPE-K aktif katmanına geçmesini sağlayabilirsiniz. Alternatif olarak, kapı voltajının polaritesini değiştirebilir ve aktif katmana geçmek için klorürü sürebilirsiniz. Her senaryo farklı türde bir iyon enjeksiyonu üretir ve bu farklı iyonlar, cihazın çalışma modlarını değiştirmemize izin verir.” Kendi kendine doping, ilave dopant ekleme adımını ortadan kaldırarak üretim sürecini de basitleştirir. Nguyen, "Çoğu zaman bir katkı maddesi eklediğinizde, malzemenin hacmi boyunca eşit olarak dağılmaz" diyor. "Organik katkı malzemeleri dağılmak yerine bir araya toplanma eğilimindedir. Ancak materyalimizin bu adıma ihtiyacı olmadığından, eşit olmayan katkı dağıtımı sorunuyla karşılaşmazsınız. Ayrıca, katkı maddesini optimize etme ve doğru karışım ve oranları belirleme sürecinin tamamından da kaçınırsınız, bunların hepsi de adım ekler ve işlemeyi karmaşık hale getirir.” Ekip ayrıca, cihaz için, çalışma mekanizmasını açıklayan ve her iki çalışma modunda da davranışını doğru bir şekilde tahmin eden bir fizik modeli geliştirdi, böylece cihazın göründüğü gibi yaptığını gösterdi.