复旦大学突破物联网核心技术 有望加速柔性电子领域应用

机理性突破："水氧电化学反应"引发的"海绵效应"

国际上对有机薄膜晶体管（OTFT）性能非稳定性来源存在多种解释，然而尚未达成统一认识。一般认为，外界环境如水、氧以及光照和温度等都对OTFT的稳定性有着重要影响，导致器件性能发生变化。

2013年，科研团队在原有的工作基础上，通过进一步研究、论证，最终找到导致OTFT性能发生变化的内在机理，提出水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型（见图1）。

图1：空气中的水氧分子与载流子相互作用示意图

在大气环境下，空气中大量存在的水分子（H2O）和氧气分子（O2）会与OTFT发生直接接触。在正向电压作用下，水分子（H2O）和氧气分子（O2）开始"手拉手"发生电化学反应，器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子（OH﹣）。与此同时，由于正负电荷相互吸引，使得有机半导体材料中带正电荷的"空穴"载流子被OH﹣牢牢"锁住"，缺少"空穴"的OTFT无法导通，也便无法正常工作。

在施加反向电压后，氢氧根离子（OH﹣）发生逆向电化学反应，水分子（H2O）和氧分子（O2）重新被释放出来，之前被牢牢"锁住"的"空穴"便能在器件中自由"流动"。

整个过程犹如在一条不断流动的小溪里投掷大量的"海绵"。当海绵（在此形容水分子和氧分子）吸收水分之后（相当于在正向电压作用下束缚"空穴"载流子），小溪近乎干涸而无水流流动。当海绵受到挤压（相当于施加反向电压），海绵内的水再次回到河沟，小溪重新恢复流动。

实验结果表明，该模型为统一理论模型，不但可以解释低导电特性的OTFT器件，还可以解释类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件，为将来OTFT的大规模应用提供了理论指导和依据。

加快"后摩尔时代"的到来

整整五十年前的1964年，世界上第一块商用数字MOS集成电路诞生。这是曾经冲击市场的最差的产品之一：相当大的一部分产品没几天就不能工作了。直到人们对MOS晶体管的表面物理性质有了更深入的理解，发现其中部分原因在于：二氧化硅绝缘介质中存在钠、钾等可动离子电荷，并且这些电荷受电压等外界因素影响。此后，稳定的MOS晶体管才被制造出来，第一次晶体管技术革命随即到来。

随着对硅表面特性的彻底掌握，人们已经可以制备近乎完美的二氧化硅介质。"只有到MOS晶体管的功能设计完美时，才会永久地开启它的时代。"如今，MOS晶体管在集成电路器件中占据主导地位，每年生产的MOS晶体管的数量已远远超过世界上蚂蚁的数量，据统计，半导体制造商每年为世界上每个人生产大约十亿个晶体管。

可以预见，有机薄膜晶体管（OTFT）将与MOS晶体管的一样，具有"里程碑"意义。复旦大学科研团队在OTFT方面的系列研究，特别是稳定性机理方面的突破，将加快"后摩尔时代"的到来。

应用前景广阔

在那些对芯片本身性能要求不高，但能大面积灵活使用的应用领域中，比如平板显示和驱动、医学成像、穿戴设备、智能包装、纸币防伪、大面积传感器以及照明等方面，有机薄膜晶体管（OTFT）已经呈现出广泛应用前景。

目前，复旦大学联合瑞典皇家理工学院研发出的一种柔性可穿戴医疗器件Bio-Patch，已经可以像创可贴一样贴在皮肤表面，并实时的测量人体的心电以及体温信息。随着物联网基础条件的不断成熟，未来可穿戴智能医疗器件将越来越多的进入普通人的生活，为人们的生活方式以及医疗保健带来重大变革。

传感器是实现物联网不可缺少的基本组成部分之一。要将世界的万事万物联系在一起，必须通过功能各异的传感器感知并传递周围环境信息，而物联网技术的发展和成熟也对传感器提出了新的要求。低成本，低功耗，可印刷的柔性薄膜传感器的市场需求将在未来十年中急剧增加。

由于理论上单个有机分子就可构成一个功能器件，因而OTFT还有可能实现超高密度和超大容量存储。低成本、易加工、组成结构多变、可折叠、小体积、快响应、低功耗和高存储密度等优点使得OTFT在未来信息存储和逻辑电路方面有着非常广阔的应用前景。

未来，随着有机薄膜晶体管（OTFT）运行速度的不断加快，透明可弯曲的手机、透明可收卷的电视，乃至可显示新闻股市和天气的车窗都可以成为现实。

把握技术发展主动权

作为推动"物联网"最核心硬件技术的柔性和可穿戴电子领域，世界上还没有任何一个国家和地区拥有绝对的技术优势，而且其生产设备的投资远远低于传统硅芯片生产所需的几十甚至上百亿美元的投入。只要我国加大重视和增加研发投入，一定会在材料、器件以及系统集成方面取得突破，并充分发挥柔性大面积电子在物联网应用中的柔性、超雹低成本、环保等优势，使其成为一个高技术、引领性