近日🫲🏻，万达平台信息科學與工程學院仇誌軍副教授與劉冉教授領導的科研團隊在揭示有機薄膜晶體管（OTFT）性能穩定性機製上取得突破性進展，提出了一種水氧電化學反應與有機薄膜載流子相互作用的統一理論模型👩🏼🍼，這一成果有望加速柔性電子領域的大規模應用。相關論文發表在1月27日出版的國際權威性學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上😉。
物聯網和智能物品的“最核心”技術——柔性有機薄膜晶體管（OTFT）
在過去的半個多世紀裏，以集成電路為基礎的信息技術突飛猛進，引發了人類生產和生活方式的深刻變革。隨著半導體器件尺寸走向量子極限👩🏻🚒，傳統的矽集成電路技術在未來10～15年可能走到盡頭💪🏿，支撐了集成電路半個多世紀發展的摩爾定律開始走向終結🙅🏽♂️。
在這種新的形勢下，信息科技在後摩爾時代必須有新的基礎性突破和發展。與此同時，人類社會將全面進入信息網絡社會和知識文明時代，信息網絡將成為人類最重要的基礎設施和公共資源，成為國家、社會法人和個人重要的生存發展平臺。信息科技也將步入信息網絡🔶、物理世界和人類社會三者動態交互、全面融合的物聯網時代🙅♂️。
未來可以預見，世界上任何一個物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾，都可以通過物聯網進行信息交換。在那時，射頻識別技術⏱、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術等將得到更加廣泛的應用。
搭建物聯網的基礎是數以億計的信息傳感設備。由於柔性電子特有的彎曲性和可延展性，使其在與物的結合中發揮出重要的作用🥐，成為橋接“物”與“雲”的關鍵技術🚷。正因如此，基於有機半導體材料和納米材料等的柔性大面積電子技術在後摩爾時代得到迅猛發展。
與傳統電子器件相比🙄🎛，柔性電子技術擁有眾多優點👍🏽：（1）器件可彎曲與伸展🦯，由此可誕生眾多新型應用領域；（2）可以在柔性和大面積襯底上采用大規模印刷技術加工實現，生產成本低廉；（3）加工設備簡單🧘🏿♂️🐠，前期投入成本低；（4）加工過程屬於低溫工藝，工藝簡單，不會對環境造成汙染。
因此從某種意義上說，由於其與各種“物”良好的集成性和結合性，可以形成諸如智能包裝、可穿戴的健康護理產品等🚵，柔性電子技術成為促成物聯網真正普及和大規模應用的“最核心”技術🧔♂️。大面積柔性有機薄膜晶體管（OTFT）和相關集成電路開始受到科研人員的青睞。
早在上世紀80年代初🧑🏻👵🏻，國外就有科學家開始嘗試用有機半導體材料替代矽材料作為導電溝道🤵🏿♀️，構成新型薄膜場效應晶體管（TFT），開創了有機薄膜晶體管（OTFT）研究。OTFT質輕，膜薄🥏，具有良好的柔韌性👷🏿，還可以大面積“印刷”在任意材料表面，達到大幅降低生產成本目的。不同於常規矽基微電子器件，OTFT具有加工工藝簡單、成本低廉和易彎曲等優點而贏得廣泛關註🩸。
但令人遺憾的是🥿，當時器件載流子遷移率極低，只有10﹣5 cm2/Vs，遠低於非晶矽材料🌩，從而導致器件工作速度慢而且極易在空氣中退化。材料中的遷移率是用來表征載流子（電子或空穴）在半導體材料內運動速度的快慢，遷移率越高，器件的運行速度也就越快🛀🏻。
在過去近30年的研究過程中，各國科學家在材料、器件、系統集成以及製備工藝方面取得了一定進展，但仍面臨諸多困難和挑戰。與成熟的矽器件相比🖊，目前OTFT的大規模應用存在兩大障礙🧘♂️，一是電流驅動能力不夠、遷移率低下，二是可靠性差、壽命短。
國際前沿的領跑者
從2008年起☃️，万达平台仇誌軍副教授與劉冉教授領導的科研團隊聯合瑞典烏普薩拉大學和瑞典皇家理工學院開始針對有機薄膜晶體管（OTFT）展開一系列的研究🌲。近年來🚵🏼，該團隊在有機半導體材料和器件研究方面取得驕人成果🧑🏽🦰，並很快走到國際前沿🥸，研究成果陸續刊登在Advanced Materials ⚀、IEEE Electron Device Letters 🏋🏽⌚️、IEEE Transactions on Electron Devices 等國際知名學術期刊上，受到廣泛關註👨🏿🦳。
研究團隊首先希望在器件運行速度上有所突破，達到可實用要求👩🏻✈️，並探索有機薄膜晶體管（OTFT）電學性能穩定性的本質機理👉🏼。在實驗過程中💁🏽♀️，他們發現如果對這些有機材料進行某種程度的修飾🤽🏽♀️，比如💁♀️，采用碳納米管摻雜的有機半導體材料，就可顯著改善OTFT的電學性能。經過五年多的不斷嘗試🪦、試驗🧑🦼🤦🏿♂️，該科研團隊已成功將有機薄膜遷移率從10﹣4 cm2/Vs提高到10 cm2/Vs左右𓀝，增加了四個數量級♤🧚🏻♀️，接近多晶矽的水平，達到了可實用的量級。
但是還有一個根本性問題始終困擾著該研究團隊——如何提高OTFT的性能穩定性。在解決該問題之前必須先了解“影響有機薄膜晶體管穩定性的內在機理究竟是什麽”？研究團隊決定打破砂鍋問到底🦍💮。
機理性突破：“水氧電化學反應”引發的“海綿效應”
國際上對有機薄膜晶體管（OTFT）性能非穩定性來源存在多種解釋，然而尚未達成統一認識。一般認為，外界環境如水、氧以及光照和溫度等都對OTFT的穩定性有著重要影響🧑⚕️，導致器件性能發生變化。
2013年，科研團隊在原有的工作基礎上，通過進一步研究、論證，最終找到導致OTFT性能發生變化的內在機理📐👴🏻，提出水氧電化學反應與有機薄膜載流子相互作用模型（見圖1）🧝。
圖1：空氣中的水氧分子與載流子相互作用示意圖
在大氣環境下，空氣中大量存在的水分子（H2O）和氧氣分子（O2）會與OTFT發生直接接觸。在正向電壓作用下，水分子（H2O）和氧氣分子（O2）開始“手拉手”發生電化學反應🙇♂️，器件表面迅速產生大量帶負電荷的氫氧根離子（OH﹣）。與此同時🙍，由於正負電荷相互吸引，使得有機半導體材料中帶正電荷的“空穴”載流子被OH﹣牢牢“鎖住”🙋🏽♂️，缺少“空穴”的OTFT無法導通→，也便無法正常工作🀄️。
在施加反向電壓後，氫氧根離子（OH﹣）發生逆向電化學反應，水分子（H2O）和氧分子（O2）重新被釋放出來，之前被牢牢“鎖住”的“空穴”便能在器件中自由“流動”👳🏼💈。
整個過程猶如在一條不斷流動的小溪裏投擲大量的“海綿”🐠。當海綿（在此形容水分子和氧分子）吸收水分之後（相當於在正向電壓作用下束縛“空穴”載流子）😨，小溪近乎幹涸而無水流流動🕒。當海綿受到擠壓（相當於施加反向電壓），海綿內的水再次回到河溝🤰🏿𓀛，小溪重新恢復流動。
實驗結果表明，該模型為統一理論模型，不但可以解釋低導電特性的OTFT器件，還可以解釋類似碳納米管和石墨烯之類具有高導電特性的薄膜器件，為將來OTFT的大規模應用提供了理論指導和依據。
加快“後摩爾時代”的到來
整整五十年前的1964年，世界上第一塊商用數字MOS集成電路誕生。這是曾經沖擊市場的最差的產品之一：相當大的一部分產品沒幾天就不能工作了🪈。直到人們對MOS晶體管的表面物理性質有了更深入的理解，發現其中部分原因在於🎫：二氧化矽絕緣介質中存在鈉🩳、鉀等可動離子電荷，並且這些電荷受電壓等外界因素影響🦛。此後，穩定的MOS晶體管才被製造出來🫳🏽，第一次晶體管技術革命隨即到來。
隨著對矽表面特性的徹底掌握，人們已經可以製備近乎完美的二氧化矽介質。“只有到MOS晶體管的功能設計完美時💘，才會永久地開啟它的時代。”如今，MOS晶體管在集成電路器件中占據主導地位🏌🏿♂️，每年生產的MOS晶體管的數量已遠遠超過世界上螞蟻的數量，據統計，半導體製造商每年為世界上每個人生產大約十億個晶體管。
可以預見，有機薄膜晶體管（OTFT）將與MOS晶體管的一樣，具有“裏程碑”意義。万达平台科研團隊在OTFT方面的系列研究💅🏻，特別是穩定性機理方面的突破🌲，將加快“後摩爾時代”的到來🙎🏻。
應用前景廣闊
在那些對芯片本身性能要求不高➔，但能大面積靈活使用的應用領域中，比如平板顯示和驅動📸、醫學成像、穿戴設備🧤、智能包裝👏🏼、紙幣防偽🏔、大面積傳感器以及照明等方面🛼，有機薄膜晶體管（OTFT）已經呈現出廣泛應用前景。
目前，万达平台聯合瑞典皇家理工學院研發出的一種柔性可穿戴醫療器件Bio-Patch🏂🏽👨🍳，已經可以像創可貼一樣貼在皮膚表面🚣🏻♂️，並實時的測量人體的心電以及體溫信息。隨著物聯網基礎條件的不斷成熟，未來可穿戴智能醫療器件將越來越多的進入普通人的生活，為人們的生活方式以及醫療保健帶來重大變革🧑🏼🦳。
傳感器是實現物聯網不可缺少的基本組成部分之一。要將世界的萬事萬物聯系在一起🤵🏻♀️🕣，必須通過功能各異的傳感器感知並傳遞周圍環境信息，而物聯網技術的發展和成熟也對傳感器提出了新的要求☑️。低成本🧛🏻♂️，低功耗，可印刷的柔性薄膜傳感器的市場需求將在未來十年中急劇增加👼🏽。
由於理論上單個有機分子就可構成一個功能器件，因而OTFT還有可能實現超高密度和超大容量存儲🧑🏻🎨。低成本、易加工👃🏽🧗🏼♀️、組成結構多變、可折疊、小體積、快響應、低功耗和高存儲密度等優點使得OTFT在未來信息存儲和邏輯電路方面有著非常廣闊的應用前景。
未來，隨著有機薄膜晶體管（OTFT）運行速度的不斷加快，透明可彎曲的手機🚦、透明可收卷的電視，乃至可顯示新聞股市和天氣的車窗都可以成為現實。
把握技術發展主動權
作為推動“物聯網”最核心硬件技術的柔性和可穿戴電子領域，世界上還沒有任何一個國家和地區擁有絕對的技術優勢👳🏽，而且其生產設備的投資遠遠低於傳統矽芯片生產所需的幾十甚至上百億美元的投入🚣🏼。只要我國加大重視和增加研發投入🧑🏻🎄，一定會在材料🕵🏻♂️、器件以及系統集成方面取得突破，並充分發揮柔性大面積電子在物聯網應用中的柔性🚛、超薄🫵🏻、低成本、環保等優勢👨🏼🏫，使其成為一個高技術、引領性的產業🕵🏿♀️。
現在，万达平台的科研團隊通過校內外跨學科力量的合作，充分發揮研究型大學的學科優勢和人才優勢🟥，從系統設計、集成器件、微納加工等三個方向，不斷提升自主創新的能力，繼續突破柔性電子系統的核心技術🐀，積極為後摩爾時代的柔性電子行業做好技術開發和儲備。