Często w nauce rozwiązanie najbardziej palącego problemu leży tam, gdzie nikt nie pomyślałby go szukać. W przypadku elastycznej elektroniki przyszłości, która ma trafić na nasze nadgarstki, a nawet ubrania, kluczową przeszkodą od lat była zawodność jej podstawowych elementów. Tym razem naukowcy z University of Surrey i austriackiego instytutu Joanneum Research Materials dokonali odkrycia, które podważa utrwalone od dekad zasady projektowania. To, co zawsze uznawano za konstrukcyjną słabość, czyli niewielkie bariery energetyczne na styku metalu i półprzewodnika, może w rzeczywistości stanowić o sile i niezawodności tych komponentów.
Koniec walki z naturą materiału. Nowa era dla elastycznej elektroniki
Organiczne tranzystory cienkowarstwowe obiecują rewolucję, ponieważ można je drukować niczym farbę na dużych, giętkich powierzchniach. Są do tego tanie i lekkie, co czyni je idealnymi do zastosowań, w których tradycyjny krzem się nie sprawdza. Ich piętą achillesową było jednak stopniowe pogarszanie się parametrów w czasie, co skutecznie blokowało komercyjne wdrożenia.
Przez lata inżynierowie próbowali usuwać bariery energetyczne na kontaktach i mieli ku temu dobry powód: najczęściej hamowały one wydajność. Nasze badania wywracają ten pomysł do góry nogami. Odkryliśmy, że małe, dobrze kontrolowane bariery faktycznie sprawiają, że działanie tranzystora jest znacznie bardziej stabilne – dr Radu Sporea, University of Surrey
Czytaj też: Rzymski beton stoi 2000 lat, a nasz się kruszy po dekadach. Naukowcy z MIT odkryli sekret starożytnych budowniczych
Współpracując z partnerami z Austrii i firmą Silvaco Europe, zespół wytworzył tranzystory z użyciem powszechnego w drukowanej elektronice srebrnego kontaktu. Rezultaty były zaskakujące. Urządzenia wykazały nie tylko lepszą jednorodność przepływu prądu między różnymi egzemplarzami, co ma kluczowe znaczenie dla masowej produkcji, ale też zachowywały stabilną wydajność przy bardzo niskich napięciach roboczych, bo nieprzekraczających minus 4 woltów. Ta energetyczna kwestia otwiera drzwi do zastosowań w elektronice noszonej, gdzie oszczędność każdej miliamperogodziny bezpośrednio przekłada się na żywotność akumulatora.
Czytaj też: Odkrycia dekady? Badał tajemnice Księżyca i Marsa, a teraz NASA skierowała go ku Ziemi
Przełom stał się możliwy dzięki eksploracji nowatorskiej konstrukcji tranzystora wielobramkowego z dwoma oddzielnymi elektrodami bramkowymi. Taka architektura pozwala na niezależną kontrolę nad wtryskiwaniem i przepływem prądu, co było niemożliwe w tradycyjnych układach. Zaawansowane symulacje komputerowe ujawniły mechanizm działania. Gdy bariera kontaktowa jest utrzymywana na niskim, ale znaczącym poziomie, tranzystor przechodzi w tryb kontrolowany przez kontakt. W tym stanie przepływ prądu regulowany jest głównie przez interfejs między półprzewodnikiem a kontaktem, a nie przez kanał przewodzący. Ta subtelna zmiana ma daleko idące konsekwencje praktyczne, ponieważ urządzenia działające w tym trybie są znacznie bardziej odporne na degradację wywoływaną przez uwięzione ładunki elektryczne i inne efekty starzenia materiałów.
Jak teraz wykorzystać nowe odkrycie?
Praktyczne zastosowania tego podejścia mogą być szerokie. Najbardziej oczywistym kierunkiem są wyświetlacze nowej generacji, zarówno OLED, jak i microLED. Stabilne i niezawodne tranzystory mogłyby znacząco uprościć obwody sterujące pikselami, redukując tym samym koszty produkcji i poprawiając efektywność energetyczną całych paneli. Kolejnym naturalnym obszarem jest elektronika noszona. Elastyczne czujniki medyczne, inteligentne opaski czy ubrania ze wbudowaną elektroniką wymagają komponentów, które będą działać niezawodnie przez długi czas, pomimo ciągłego zginania i rozciągania. Organiczne tranzystory z celowo wprowadzonymi barierami energetycznymi wydają się wreszcie spełniać te wymagania.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
Odkrycie jest doskonałym przykładem na to, jak kwestionowanie utartych dogmatów może prowadzić do przełomowych rozwiązań. Jednak choć wyniki laboratoryjne są obiecujące, to droga do komercyjnego sukcesu jest długa. Pytanie sprowadzające się do tego, jak szybko przemysł elektroniczny dostrzeże potencjał tego wadliwego podejścia i zdecyduje się na jego wdrożenie w masowej produkcji, pozostaje otwarte. Historia technologii uczy jednak, że czasem największe innowacje rodzą się z przewartościowania tego, co dotąd uważaliśmy za oczywiste. Ten przypadek wydaje się właśnie do nich należeć.