导电聚合物有望用于下一代有机电子产品

几十年来，由硅基半导体实现的场效应晶体管推动了电子革命。但近年来，制造商在进一步缩小硅芯片尺寸和提高效率方面遇到了严格的物理限制。这促使科学家和工程师寻找传统金属氧化物半导体 (CMOS) 晶体管的替代品。

“与传统的硅基半导体器件相比，有机半导体具有几个明显的优势：它们由碳、氢和氮等丰富的元素制成;它们具有机械灵活性和制造成本低;它们可以很容易地大规模制造， ” 加州大学圣巴巴拉分校工程学教授 Yon Visell 指出，他是研究新材料的一组研究人员的一员。

“也许更重要的是，聚合物本身可以使用多种化学方法制造，从而赋予最终的半导体器件有趣的光学和电学特性。这些特性可以通过比无机物更多的方式设计、调整或选择(例如，硅基)晶体管。”

Visell 描述的设计灵活性体现在 UCSB 研究人员和其他人在《先进材料》杂志上报告的设备可重构性中。

可重构逻辑电路作为后 CMOS 电子产品的候选者特别受关注，因为它们可以简化电路设计，同时提高能效。最近开发的一类称为有机电化学晶体管 (OECT) 的碳基(与氮化硅或氮化镓相反)晶体管已被证明非常适合可重构电子产品。

在最近的论文中，领导 UCSB 聚合物和有机固体中心的化学教授 Thuc-Quyen Nguyen 和包括 Visell 在内的合著者描述了一种突破性材料——一种柔软的半导体碳基聚合物——它可以提供独特的优势。目前在传统硅晶体管中发现的无机半导体。

研究人员写道：“可重构的有机逻辑器件是下一代高效计算系统和自适应电子设备的有希望的候选者。” “理想情况下，此类设备应具有简单的结构和设计，[以及]节能并与高通量微加工技术兼容。”

共轭电导率

共轭聚电解质或 CPE-K 由一个中央共轭主链组成，具有交替的单键和双键，以及多个带有离子的带电侧链。“在整个聚合物中具有共轭键使其具有导电性，因为离域电子在聚合物的长度上具有很高的迁移率，”主要作者、Visell 共同建议的 Nguyen 实验室的博士后研究员 Tung Nguyen-Dang 解释道。“在这种分子设计中，你正在结合两种经典材料，聚合物和半导体。”

人工智能 (AI) 在开发这种材料方面发挥了作用。“你可以通过反复试验来制作材料，”Nguyen 说。“你可以制作一大堆并希望获得最好的结果，也许二十个作品中的一个或具有有趣的特性;但是，我们与加利福尼亚州北岭分校的教授陆刚合作，他使用人工智能来选择积木和考虑到我们的目标能级和特性，进行计算以大致了解如何进行。”

确定可重构性

CPE-K 的一个主要优点是它支持可重新配置(“双模式”)逻辑门，这意味着它们可以在运行中切换以在耗尽模式或累积模式下运行，只需调整栅极电压即可。在耗尽模式下，流过漏极和源极之间的活性材料的电流最初很高，在施加任何栅极电压之前(也称为 ON 状态)。当施加栅极电压时，电流下降，晶体管变为截止状态。累积模式则相反——在没有栅极电压的情况下，晶体管处于关闭位置，施加栅极电压会产生更高的电流，从而将器件切换到开启状态。

Nguyen 说：“传统的电子逻辑门是计算机或智能手机中所有数字电路的构建块，是只完成它们设计的一项工作的硬件。” “例如，与门有两个输入和一个输出，如果应用到它的输入全为 1，则输出将为 1。类似地，或非门也有两个输入和一个输出，但如果所有的施加于它的输入为1，则输出将为0。电子门是使用晶体管实现的，并且重新配置它们(例如从与门更改为或非门)需要侵入性修改，例如拆卸，这通常太复杂了要实用。

“可重构门，就像我们展示的那样，可以作为两种类型的逻辑门，通过仅改变栅极电压从 AND 切换到 NOR，反之亦然，”她继续说道。“目前在电子产品中，功能是由结构定义的，但在我们的设备中，您可以通过改变施加在其上的电压来改变行为并使其成为其他东西。如果我们将本发明从单个门扩大到更复杂的电路，包括在许多这样的可重构门中，我们可以设想一种功能强大的硬件，它可以编程具有比具有相同数量晶体管的传统硬件更多的功能。”

基于 CPE-K 的 OECT 的另一个优势：它们可以在非常低的电压下运行，使其适用于个人电子产品。再加上其灵活性和生物相容性，该材料可能成为植入生物传感器、可穿戴设备和神经形态计算系统的候选材料，在这些系统中，OECT 可能充当人工突触或非易失性存储器。

“我们的同事正在制造可以监测癫痫发作前大脑中葡萄糖水平下降的设备，”Nguyen 对英国剑桥大学的一位合作者解释道。“在检测到之后，另一种装置——一种微流体装置——将在本地输送药物，以在该过程发生之前停止该过程。”

Nguyen 表示，由 CPE-K 制成的器件具有同时掺杂和去掺杂的特点，具体取决于离子的类型。“你制造了这个装置，然后把它放入溶解在水中的液体电解质——氯化钠[即食盐]中，”她说。“然后，您可以通过在栅极施加正电压来驱动钠迁移到 CPE-K 活性层。或者，您可以改变栅极电压的极性并驱动氯化物迁移到活性层。每种情况都会产生不同类型的离子注入，这些不同的离子使我们能够改变设备的操作模式。”

自掺杂还通过消除添加掺杂剂的额外步骤简化了制造过程。“很多时候，当你添加掺杂剂时，它并没有均匀地分布在整个材料的体积中，”Nguyen 说。“有机掺杂材料倾向于聚集在一起而不是分散。但因为我们的材料不需要这一步，所以你不会遇到掺杂剂分布不均匀的问题。你也避免了优化掺杂剂和确定掺杂剂的整个过程。正确的混合和比例，所有这些都会增加步骤并使处理复杂化。”

该团队还为该设备开发了一个物理模型，可以解释其工作机制并正确预测其在两种操作模式下的行为，从而证明该设备正在做它看起来正在做的事情。

Visell 总结道：“这种卓越的新型晶体管技术完美地体现了通过化学、物理、材料和电气工程的融合研究实现的令人惊讶的电子和计算功能。”