有機(jī)半導(dǎo)體材料是國(guó)內(nèi)外研究最活躍領(lǐng)域之一，近年來(lái)，超快光譜技術(shù)、超微結(jié)構(gòu)表征法、物理氣相傳輸法、溶液自組裝法等技術(shù)進(jìn)步為有機(jī)半導(dǎo)體材料研究提供了手段，使得有機(jī)半導(dǎo)體材料激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)、雙光子激發(fā)熒光等性質(zhì)研究迅速發(fā)展。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2026年中國(guó)有機(jī)半導(dǎo)體材料行業(yè)市場(chǎng)行情監(jiān)測(cè)及未來(lái)發(fā)展前景研究報(bào)告》顯示，近年來(lái)，得益于技術(shù)進(jìn)步，有機(jī)半導(dǎo)體材料發(fā)展較為迅速，目前有機(jī)半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電致發(fā)光二極管、光伏電池、傳感器、調(diào)制器、光電探測(cè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

在分類上，根據(jù)分子大小不同，有機(jī)半導(dǎo)體材料可分為聚合物大分子材料和聚合物小分子材料；根據(jù)特性不同，有機(jī)半導(dǎo)體材料又分為P型、N型以及雙極型材料。P型材料又分為并五苯、稠環(huán)分子、聚噻吩及其衍生物、苝、紅熒烯等，P型材料具有更優(yōu)良的穩(wěn)定性及器件性能，目前關(guān)于該類型的研究較多；N型材料可分為高聚物、低聚物以及有機(jī)小分子三類，目前以小分子材料為主，如C60、金屬酞菁化合物等。

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品向輕薄化、大面積、柔性化、可折疊、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體材料提出了更高要求，有機(jī)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)關(guān)注度隨之提升，但目前來(lái)看，受技術(shù)限制，有機(jī)半導(dǎo)體材料仍存在諸多問(wèn)題有待探究，如量子阱等量子效應(yīng)問(wèn)題、能帶理論適用性等。

目前已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁以及部分芳香族化合物等。新思界行業(yè)分析人士表示，有機(jī)半導(dǎo)體材料在可折疊性能、加工性能、結(jié)構(gòu)修飾等方面優(yōu)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，近年來(lái)，伴隨電子產(chǎn)品向輕薄化、大面積、柔性化發(fā)展，有機(jī)半導(dǎo)體材料成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究重點(diǎn)方向之一。


世界首創(chuàng)有機(jī)BJT

有機(jī)電子產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們與簡(jiǎn)單的制造技術(shù)兼容，與硅電子產(chǎn)品相比，這些技術(shù)可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。最重要的是，有機(jī)半導(dǎo)體可以提供令人印象深刻的一些材料特性，例如高機(jī)械柔韌性、更高的天然豐度和更低的成本。由于這種特性的結(jié)合，有機(jī)半導(dǎo)體可以印刷到塑料、衣服甚至人體等柔性基板上。

所有這些都導(dǎo)致有機(jī)半導(dǎo)體被認(rèn)為是未來(lái)創(chuàng)造柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵組件。如今，有機(jī) LED (OLED) 顯示器是有機(jī)半導(dǎo)體最受歡迎的應(yīng)用，與傳統(tǒng) LED 顯示器相比，它提供了更高的圖像質(zhì)量和更薄的設(shè)計(jì)。

早前，來(lái)自德累斯頓工業(yè)大學(xué)的研究人員宣布他們創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)高效的 OBJT，從而在該領(lǐng)域引起了轟動(dòng)。

正如他們?cè)贜ature上的論文中所描述的那樣，研究人員通過(guò)開發(fā)基于 n 型和 p 型摻雜紅熒烯晶體薄膜的設(shè)備來(lái)解決 OBJT 面臨的制造挑戰(zhàn)。

在描述他們的過(guò)程時(shí)，他們首先通過(guò)真空沉積在基板上沉積一層薄薄的無(wú)定形紅熒烯，然后在氮?dú)夥罩袑?duì)紅熒烯進(jìn)行退火以開始晶體生長(zhǎng)。與在爐子上生長(zhǎng)的傳統(tǒng)晶體相比，這些晶體薄膜是直接在基板表面制成的，這有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

這項(xiàng)技術(shù)的結(jié)果非常積極，因?yàn)檠芯咳藛T能夠同時(shí)進(jìn)行 n 型和 p 型摻雜，并提供厚度約為 1 μm 和約 3 cm 2 V-1 s-1 的高垂直遷移率的晶體管.

結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了 1.6 GHz 的單位增益頻率的 OBJT，標(biāo)志著第一個(gè)達(dá)到千兆赫茲頻率范圍的有機(jī)晶體管。

研究人員對(duì)他們的結(jié)果表示贊賞，稱他們的 OBJT 是朝著柔性電子未來(lái)的超快速有機(jī)晶體管的成功商業(yè)化和生產(chǎn)邁出的一大步。看看這項(xiàng)技術(shù)將如何隨著這一壯舉的完成而取得進(jìn)展將會(huì)很有趣。


咖啡化合物也能提高半導(dǎo)體的生產(chǎn)效率

日本先進(jìn)工業(yè)科技 (AIST) 研究所的研究人員表示，使用咖啡化合物可以將半導(dǎo)體元件中的電流增加多達(dá) 100 倍。具體而言，根據(jù)他們的工作，電極表面的一層薄薄的咖啡酸促進(jìn)了有機(jī)半導(dǎo)體器件中電流的極大改善。

AIST 解釋了電流顯著改善背后的科學(xué)原理。一份研究報(bào)告稱，咖啡酸在電極上的作用導(dǎo)致元件表面的分子自發(fā)排列，從而降低了電流流動(dòng)的阻力。因此電流增加了 100 倍。科學(xué)家們說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)將有助于開發(fā)未來(lái)的有機(jī)半導(dǎo)體器件，例如有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED) 和有機(jī)太陽(yáng)能電池 (OPV)。據(jù)稱，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展特別有價(jià)值。由于應(yīng)用了源自植物的咖啡酸薄層，可以減少或避免使用對(duì)環(huán)境不友好或不可持續(xù)的化學(xué)資源。

目前，有機(jī)半導(dǎo)體制造商使用對(duì)環(huán)境質(zhì)量有問(wèn)題的材料作為電極修飾層。這一層的一種選擇是一種名為 Pedot:PSS 的聚合物，它引起了人們對(duì)環(huán)境污染的擔(dān)憂。另一種材料是三氧化鉬材料，它使用一種稀有金屬元素的氧化物。

AIST 研究人員使用咖啡酸和各種電極材料進(jìn)行了測(cè)試，這些電極材料包括金、銀、銅、鐵、氧化銦錫 (ITO) 和具有天然氧化層的硅。您可以在圖表中看到，咖啡酸處理后電極功函數(shù)增加了 0.5 eV。請(qǐng)注意，研究人員表示，咖啡酸薄膜不會(huì)溶解在有機(jī)半導(dǎo)體薄膜生產(chǎn)中使用的有機(jī)溶劑中，因此非常適合此用途。

AIST 的研究人員希望將這種電極修飾/涂層技術(shù)應(yīng)用于上述 OLED 和 OPV 等有機(jī)半導(dǎo)體器件，最終目標(biāo)是使半導(dǎo)體元件和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完全以可持續(xù)的方式制造，并且易于回收利用。

以蘑菇為基板的電子產(chǎn)品

奧地利的物理學(xué)家和材料科學(xué)家表明，真菌菌絲體皮可用作電子設(shè)備的基板。該團(tuán)隊(duì)使用薄皮創(chuàng)建了由菌絲體電池、濕度和接近傳感器以及藍(lán)牙通信模塊組成的自主傳感設(shè)備。除了為要在其上形成圖案的電路提供柔性表面外，這種薄膜還可以生物降解，有助于減少電子垃圾。

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注柔性電子產(chǎn)品的開發(fā)，例如用于健康監(jiān)測(cè)的自主傳感器，其使用壽命僅為數(shù)天或數(shù)周。根據(jù)約翰內(nèi)斯開普勒大學(xué)的物理學(xué)家Martin Kaltenbrunner的說(shuō)法，對(duì)于這些類型的電子產(chǎn)品，可生物降解的組件將非常有利。

在研究用于建造隔熱的基于蘑菇的材料時(shí)，Kaltenbrunner 和他的同事注意到真菌正在產(chǎn)生致密而致密的菌絲體表皮，這是一種真菌絲網(wǎng)。研究人員從真菌中提取菌絲體皮，這種真菌生長(zhǎng)在溫和溫帶氣候下的死硬木上。為了創(chuàng)建電子電路，他們使用物理氣相沉積在皮膚上放置一層薄薄的銅和金。然后通過(guò)激光燒蝕從該表面層去除金屬，留下導(dǎo)電路徑。研究人員將這種創(chuàng)造柔性和可生物降解電子產(chǎn)品的新方法命名為“MycelioTronics”。

該團(tuán)隊(duì)在 25°C 下儲(chǔ)存來(lái)培養(yǎng)菌絲體皮。真菌充分生長(zhǎng)后，將隔膜從基材上撕下，小心地將菌絲體皮從隔膜上剝離。然后將濕的菌絲體干燥并壓縮以產(chǎn)生最終的薄膜。這些薄膜看起來(lái)像紙，科學(xué)家們想知道它們是否可以用于柔性電路板。在金屬層沉積和激光燒蝕后，研究人員測(cè)試了由此產(chǎn)生的菌絲體電路板，發(fā)現(xiàn)它們具有高導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，并且能夠在金屬膜開始破裂和電阻增加之前承受大約 2000 次彎曲循環(huán)，可以折疊幾次，阻力只會(huì)適度增加。接下來(lái)，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)扁平的 2 cm2菌絲體電池，使用浸泡在高離子傳導(dǎo)電解質(zhì)溶液（氯化銨和氯化鋅）中的菌絲體皮作為隔膜，并使用兩個(gè)菌絲體皮作為外殼。他們聲稱，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池中很大一部分是可生物降解的。

為了進(jìn)一步展示他們的概念，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種電子設(shè)備，該設(shè)備由菌絲體電池、藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信模塊和焊接在菌絲體電路板上的阻抗傳感器組成。測(cè)試表明，該傳感器設(shè)備能夠檢測(cè)到接近的手指和氣候室中的濕度變化。

“真正難以回收的是柔性電路板或印刷電路板，它們太便宜而且太難分離成單獨(dú)的部分，”Kaltenbrunner 解釋道。科學(xué)家們一直在考慮用紙代替柔性設(shè)備中基于聚合物的電路板，但 Kaltenbrunner 說(shuō)這是不可持續(xù)的。紙張生產(chǎn)過(guò)于耗水和耗能。而菌絲體電路板，可以在堆肥堆中分解。在 11 天內(nèi)，它失去了 93% 的干重，此后它的殘留物都與土壤幾乎沒(méi)有區(qū)別。