纳米纸晶体管开启新时代
作者：黄佳
2013年06月13日 来源：中国科学报
便携、低成本、可弯曲、绿色环保，这些都是当前电子产品的重要发展趋势。同济大学与美国马里兰大学最近联合研发的纳米纸晶体管，以纳米纸为衬底，全透明、可弯曲、可降解，向纸制电子产品迈出了重要一步。
柔性可弯曲、可折叠是当前新一代电子产品的一大重要发展方向。以手机为例，随着科技的进步，手机从早期“厚砖块”的大哥大发展到了小型的掌上机，体积越来越小。
随着智能触屏手机的出现，手机的屏幕开始逐步变大。然而，便携化要求的小体积，与视觉效果和使用方便所需的屏幕大面积化之间产生了难以调和的矛盾。柔性显示屏的出现可以在一定程度上解决这一难题，因为柔性可弯曲、可折叠的显示屏幕在不使用的时候可以折叠或者卷成细筒状以便于携带，在使用时可以展开成大面积的显示屏幕。
柔性有机晶体管受追捧
电子产品通常由大量的半导体元件组成，因此柔性可弯曲的电子产品也相应地对半导体器件的柔性提出了要求。在诸多半导体器件中，晶体管是最基本、最重要的元件之一，具备检波、稳压、整流、放大、开关、信号调制等功能。
要使得晶体管具备柔性可弯曲的特性，最直接的办法是使用柔性的半导体材料来制备晶体管，而基于柔性可弯曲的有机半导体材料的有机晶体管，正是选择之一，在未来有希望成为柔性显示屏幕的核心控制元件，用于控制显示屏幕的每个发光点。
作为一种有机材料，有机半导体具有常规无机半导体所不具备的优点和特性，比如：可以通过有机合成来大规模低成本地制备合成，可以通过廉价的沉积方式来制备成器件，以及加工工艺简单、容易实现大面积器件的制备、重量轻、开关电流比率高、具备很强的化学可修饰性等。而且大多数有机半导体柔性可弯曲，这使其在可便携的柔性电子产品中具有极大的应用价值。
由于其独特的性能和应用前景，柔性有机晶体管的研究和开发成为了当前有机电子器件科学研究的核心内容之一，正受到国内外科研机构、大学以及企业公司越来越多的关注，并在近几年已经取得了长足的发展。
比如日本东京大学的Takao Someya课题组在2010年开发出了曲率半径仅为0.1～0.3毫米、能在折起来或揉成一团后性能也不会明显劣化的超柔性有机晶体管阵列，并在《自然—材料》上发表了这一成果。
同一课题组在2012年联合了美国国家标准和技术研究所、普林斯顿大学、德国马克斯·普朗克研究所，以及日本广岛大学等科研机构，一起开发了一种新型耐热柔性有机晶体管，可适应150℃的高温灭菌，因而具有广泛的医疗用途，这一成果发表于2012年的《自然通讯》期刊。而美国Rutger大学的Podzorov课题组也成功研制了低成本、高性能的柔性有机晶体管，使用简单的制备工艺，实现了0.2毫米量级的可弯曲半径，并且其电学性能达到了非晶硅晶体管的水平。
纳米纸显威力
常见的柔性有机晶体管的衬底一般使用不可降解的材料，器件也通常不是透明的。同济大学与美国马里兰大学最近联合研发的纳米纸晶体管，以纳米纸为衬底，全透明、可弯曲、可降解，向纸制电子产品迈出了重要一步。
纳米纸晶体管最大的优点，是将透明、柔性可弯曲、可降解这几大功能和特性同时整合在一个器件上，使其在光学/电学性能、制备成本、环保型等方面得到同步优化，成为未来新一代柔性电子器件的一只潜力股。
如果将电子产品做在塑料衬底材料上，虽然可弯曲且透明，但无法降解，最终会产生出大量的电子垃圾污染环境。而电子垃圾眼下已经成为世界面临的一大问题。使用可降解的纸作为代替塑料的衬底材料，可使器件具备绿色环保的优点。
由于普通纸张纤维粗，不透明，表面粗糙，凹凸不平，要在它上面制备半导体层，不仅很难形成完整、连续、均匀的高质量半导体层，并且还容易导致晶体管漏电，相关技术和制备工艺面临不少困难。
相比较而言，纳米纸则是比较理想的材料。这种透明光滑的特殊纸张，其制备过程并不是很复杂，具体做法是：将普通造纸所用的木浆纤维经特殊处理，使其纤维尺度达到纳米量级，远小于可见光的波长。如此制作出来的纳米纸，可有效减少对光的吸收和散射，不仅变得透明，而且其表面如塑料一般光滑，这为接下来在它上面制备性能优良的晶体管电路奠定了重要基础。
此外，这一材料体系所具备的热膨胀率低、可弯曲性强、适合用于曲面上等特点，使其成为半导体衬底基板材料的极佳选择。而部分有机半导体材料所具备的“可溶性、可打印”等优点与纸质衬底材料的可打印特性相结合，更使得通过全打印方式来制备电子器件成为可能。
如此一来，不仅可以进一步降低电子产品的成本，或许在不久的将来，人们还能利用可再生资源印刷出透明、可弯曲的电子设备。基于纳米纸晶体管以及其他纳米纸半导体器件的柔性电子器件，将在显示屏幕、电子标签、化学/生物传感器、低成本可抛弃电子器件等领域获得越来越多的应用。
（作者：同济大学材料科学与工程学院教授）
