納米紙晶體管開啟新時代

　　便攜、低成本、可彎曲、綠色環(huán)保，這些都是當前電子產品的重要發(fā)展趨勢。同濟大學與美國馬里蘭大學最近聯(lián)合研發(fā)的納米紙晶體管，以納米紙為襯底，全透明、可彎曲、可降解，向紙制電子產品邁出了重要一步。

　　黃佳

　　柔性可彎曲、可折疊是當前新一代電子產品的一大重要發(fā)展方向。以手機為例，隨著科技的進步，手機從早期“厚磚塊”的大哥大發(fā)展到了小型的掌上機，體積越來越小。

　　隨著智能觸屏手機的出現(xiàn)，手機的屏幕開始逐步變大。然而，便攜化要求的小體積，與視覺效果和使用方便所需的屏幕大面積化之間產生了難以調和的矛盾。柔性顯示屏的出現(xiàn)可以在一定程度上解決這一難題，因為柔性可彎曲、可折疊的顯示屏幕在不使用的時候可以折疊或者卷成細筒狀以便于攜帶，在使用時可以展開成大面積的顯示屏幕。

　　柔性有機晶體管受追捧

　　電子產品通常由大量的半導體元件組成，因此柔性可彎曲的電子產品也相應地對半導體器件的柔性提出了要求。在諸多半導體器件中，晶體管是最基本、最重要的元件之一，具備檢波、穩(wěn)壓、整流、放大、開關、信號調制等功能。

　　要使得晶體管具備柔性可彎曲的特性，最直接的辦法是使用柔性的半導體材料來制備晶體管，而基于柔性可彎曲的有機半導體材料的有機晶體管，正是選擇之一，在未來有希望成為柔性顯示屏幕的核心控制元件，用于控制顯示屏幕的每個發(fā)光點。

　　作為一種有機材料，有機半導體具有常規(guī)無機半導體所不具備的優(yōu)點和特性，比如：可以通過有機合成來大規(guī)模低成本地制備合成，可以通過廉價的沉積方式來制備成器件，以及加工工藝簡單、容易實現(xiàn)大面積器件的制備、重量輕、開關電流比率高、具備很強的化學可修飾性等。而且大多數(shù)有機半導體柔性可彎曲，這使其在可便攜的柔性電子產品中具有極大的應用價值。

　　由于其獨特的性能和應用前景，柔性有機晶體管的研究和開發(fā)成為了當前有機電子器件科學研究的核心內容之一，正受到國內外科研機構、大學以及企業(yè)公司越來越多的關注，并在近幾年已經取得了長足的發(fā)展。

　　比如日本東京大學的TakaoSomeya課題組在2010年開發(fā)出了曲率半徑僅為0.1～0.3毫米、能在折起來或揉成一團后性能也不會明顯劣化的超柔性有機晶體管陣列，并在《自然—材料》上發(fā)表了這一成果。

　　同一課題組在2012年聯(lián)合了美國國家標準和技術研究所、普林斯頓大學、德國馬克斯·普朗克研究所，以及日本廣島大學等科研機構，一起開發(fā)了一種新型耐熱柔性有機晶體管，可適應150℃的高溫滅菌，因而具有廣泛的醫(yī)療用途，這一成果發(fā)表于2012年的《自然通訊》期刊。而美國Rutger大學的Podzorov課題組也成功研制了低成本、高性能的柔性有機晶體管，使用簡單的制備工藝，實現(xiàn)了0.2毫米量級的可彎曲半徑，并且其電學性能達到了非晶硅晶體管的水平。

　　納米紙顯威力

　　常見的柔性有機晶體管的襯底一般使用不可降解的材料，器件也通常不是透明的。同濟大學與美國馬里蘭大學最近聯(lián)合研發(fā)的納米紙晶體管，以納米紙為襯底，全透明、可彎曲、可降解，向紙制電子產品邁出了重要一步。

　　納米紙晶體管最大的優(yōu)點，是將透明、柔性可彎曲、可降解這幾大功能和特性同時整合在一個器件上，使其在光學/電學性能、制備成本、環(huán)保型等方面得到同步優(yōu)化，成為未來新一代柔性電子器件的一只潛力股。

　　如果將電子產品做在塑料襯底材料上，雖然可彎曲且透明，但無法降解，最終會產生出大量的電子垃圾污染環(huán)境。而電子垃圾眼下已經成為世界面臨的一大問題。使用可降解的紙作為代替塑料的襯底材料，可使器件具備綠色環(huán)保的優(yōu)點。

　　由于普通紙張纖維粗，不透明，表面粗糙，凹凸不平，要在它上面制備半導體層，不僅很難形成完整、連續(xù)、均勻的高質量半導體層，并且還容易導致晶體管漏電，相關技術和制備工藝面臨不少困難。

　　相比較而言，納米紙則是比較理想的材料。這種透明光滑的特殊紙張，其制備過程并不是很復雜，具體做法是：將普通造紙所用的木漿纖維經特殊處理，使其纖維尺度達到納米量級，遠小于可見光的波長。如此制作出來的納米紙，可有效減少對光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面如塑料一般光滑，這為接下來在它上面制備性能優(yōu)良的晶體管電路奠定了重要基礎。

　　此外，這一材料體系所具備的熱膨脹率低、可彎曲性強、適合用于曲面上等特點，使其成為半導體襯底基板材料的極佳選擇。而部分有機半導體材料所具備的“可溶性、可打印”等優(yōu)點與紙質襯底材料的可打印特性相結合，更使得通過全打印方式來制備電子器件成為可能。

　　如此一來，不僅可以進一步降低電子產品的成本，或許在不久的將來，人們還能利用可再生資源印刷出透明、可彎曲的電子設備?；诩{米紙晶體管以及其他納米紙半導體器件的柔性電子器件，將在顯示屏幕、電子標簽、化學/生物傳感器、低成本可拋棄電子器件等領域獲得越來越多的應用。