uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Pienempien sirujen tekeminen tehokkaammalla suorituskyvyllä ja paremmalla integraatiolla on tieteellisten ja teknologisten työntekijöiden hellittämätöntä pyrkimystä. Professori Wei Dachengin tiimi Fudanin yliopiston polymeeritieteen laitoksen osavaltion polymeerimolekyylitekniikan laboratoriosta suunnitteli uuden tyyppisen puolijohdevaloresistin, jolla on erinomainen suorituskyky ja joka käyttää fotolitografiateknologiaa integroimaan 27 miljoonaa orgaanista transistoria täyskehyksen kokoon. siru ja toteuttaa Yhteenliittäminen, 100 000:sta vuonna 2021 27 miljoonaan tänään, tiimi on jatkanut läpimurtoja polymeeripuolijohdesirujen integroinnissa viime vuosina, mikä on johtanut maailman saavuttamaan erittäin laajamittaisen integraation tason, mikä tarjoaa tärkeän tuen orgaanisille tuotteille. siirtyä edelleen kohti käytännön sovelluksia.

Suuritiheyksiset toisiinsa yhdistetyt orgaaniset transistoriryhmät joustavilla substraateilla

Piipohjaisen sirulitografiateknologian oppiminen orgaanisten sirujen integrointitason nostamiseksi kymmeniin miljooniin

Se, mitä ihmiset kutsuvat "siruiksi" päivittäin, viittaa enimmäkseen piipohjaisiin siruihin - yksikiteisestä piistä valmistettuun puolijohdesiruun, jota käytetään laajalti tietokoneissa, viestinnässä ja muilla aloilla. Orgaanisilla siruilla, jotka on valmistettu orgaanisista materiaaleista, kuten polymeeripuolijohteista ja konjugoiduista pienistä molekyyleistä, on luontaisen joustavuuden, bioyhteensopivuuden ja alhaiset kustannukset, ja niillä on tärkeitä sovellusmahdollisuuksia kehittyvillä aloilla, kuten puettavat elektroniset laitteet ja bioelektroniset laitteet.

Nykyaikaisen tietotekniikan kehittyessä toiminnallisten sirujen integraatiotiheys kasvaa ja kasvaa. Piipohjaisten siruintegroitujen laitteiden tiheys on ylittänyt 200 miljoonaa transistoria neliömillimetriä kohden. Vertailun vuoksi orgaaniset sirut ovat integroinnissa ja luotettavuudessa paljon jäljessä piipohjaisista siruista.

Siruintegraatio voidaan jakaa pienimuotoiseen integraatioon (SSI), keskikokoiseen integraatioon (MSI), suuren mittakaavan integraatioon (LSI), erittäin suuren mittakaavan integrointiin (VLSI) ja ultrasuuren mittakaavan integrointiin (ULSI). Määrät ovat suurempia kuin 2, 26, 211, 216 ja 221.

Aiempien julkisten raporttien mukaan polymeeripuolijohdesirujen korkein integraatiotaso on saavuttanut laajamittaisen integraation (LSI) tason. Esimerkiksi vuonna 2021 ulkomaalainen tiimi tuotti suurimman venyvän transistoriryhmän tiheyden, joka voi integroida yli 10 000 elastista transistoria peukaloa pienemmälle alueelle (0,238 c㎡).

Onko mahdollista parantaa orgaanista siruintegraatiota entisestään? Nyt Wei Dachengin tiimi on antanut vastauksen - he suunnittelivat toiminnallisen fotoresistin, joka käyttää fotolitografiatekniikkaa integroidakseen 27 miljoonaa orgaanista transistoria täysikokoiselle sirulle ja toteuttaakseen yhteenliitäntöjä, mikä saavuttaa erittäin laajan integrointitason (ULSI). .

"Olemme murtaneet perinteisen orgaanisen sirun käsittelytekniikan läpi, ja he oppivat, että toisin kuin piipohjaisilla siruilla, perinteisten orgaanisten sirujen valmistusmenetelmiä ovat pääasiassa silkkipainatus, mustesuihkutulostus, tyhjiöhaihdutus, fotolitografiakäsittely jne. Piipohjaisten sirujen fotolitografiateknologia on nostanut orgaanisten sirujen integraatiotason kymmenien miljoonien tasolle.

(a) Fotoresistien aggregaatiorakenne (c) Eri substraateilla käsitellyt orgaaniset transistoriryhmät (e) Orgaaninen optoelektroniikka Pikselitiheyden vertailu; (PQD-nanocell OPT) ja olemassa olevat kaupalliset CMOS-kuvantamissirut sekä muilla menetelmillä valmistetut orgaaniset kuvantamissirut.

Avain fotolitografiaan on fotoresistissä. Fotoresistillä, joka tunnetaan myös nimellä fotoresist, on tärkeä rooli sirun valmistuksessa. Se voi siirtää tarvittavat hienot kuviot naamiosta käsiteltäväksi prosesseilla, kuten valotus ja kehitys.

Perinteistä fotoresistiä käytetään vain käsittelymallina, eikä sillä ole toimintoja, kuten johtavuus ja tunnistus. Se on puhdistettava käytön jälkeen. Wei Dachengin tiimi kehitti tämän uuden funktionaalisen fotoresistin, joka muodostaa nanomittakaavan verkkorakenteen, jolla on hyvä puolijohteen suorituskyky, fotolitografian käsittely ja prosessin vakaus, eikä se voi saavuttaa vain ominaisuuskokoisia luotettavia määriä kuvioita, ja kuvio itsessään on puolijohde, mikä yksinkertaistaa sirun valmistusprosessia.

Fotoresistillä voidaan saavuttaa erilaisia ​​tunnistustoimintoja lisäämällä tunnistusreseptoreita. Saavuttaakseen erittäin herkän valosähköisen havaitsemisen ryhmä latasi ydin-kuorirakenteisia nanohiukkasia, joissa oli aurinkosähkövaikutuksia fotoresistin materiaaliin. Valaistuksen alaisena nanovalosähköhiukkaset synnyttävät valoteknisiä kantoaaltoja, ja elektronit vangitsevat ydin, mikä johtaa paikan päällä tapahtuvaan hilahallintaan, mikä parantaa huomattavasti laitteen valoherkkyyttä.

Tulokset julkaistiin Nature Nanotechnologyssa 4. heinäkuuta otsikolla "Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors".

Viiden vuoden monitieteinen tutkimus orgaanisten sirujen valmistuksen ydinvaikeuksien voittamiseksi

Vuodesta 2018 lähtien Wei Dachengin tiimi on lähtenyt puolijohdevaloresistien tutkimus- ja kehitysmatkalle, ja hän itse on tutkinut orgaanisia puolijohdemateriaaleja ylioppilaskaudestaan ​​lähtien. "Jos teoksella halutaan todella saavuttaa läpimurto, se vaatii varmasti pitkän kertymisjakson, hän sanoi, että tiimi ei vain kokeillut erilaisia ​​materiaaleja ja rakenteita, vaan keräsi myös runsaasti käytännön kokemusta."

Polymeeritieteen laitoksen professorina Wei Dacheng sanoi, että toiminnallisen fotoresistin onnistunut kehittäminen on erottamaton tieteidenvälisestä tieteellisestä tutkimusryhmästä.Tiimin jäsenten ei tarvitse vain hallita ammatillista tietämystä, kuten kemiallista synteesiä ja materiaalitieteitä, vaan myös ylittää ammatilliset esteet ja oppia soveltamaan tietoa, kuten elektronisten laitteiden suunnittelua ja valmistusta.

Wei Dacheng ottaa valokuvia opiskelijoiden kanssa

"Meidän on ymmärrettävä monia asioita, kuten kuinka suunnitella ja syntetisoida korkean suorituskyvyn orgaanisia puolijohdemateriaaleja, kuinka rakentaa tarkasti elektronisia laitteita fotolitografiatekniikan avulla ja kuinka optimoida laitteiden rakenteita suorituskyvyn parantamiseksi Wei Dachengin mielestä tämä monitieteinen yhteistyö." malli vaatii Opettajat ja opiskelijat jatkavat uuden tiedon oppimista ja kohtaavat ja ratkaisevat erilaisia ​​ongelmia yhdessä.

Tutkimus- ja kehitysprosessin aikana tiimin suuri vaikeus oli toiminnallisen fotoresistin aggregoidun tilan rakennesuunnittelu. Fotoresistin eri toiminnot ovat usein vuorovaikutuksessa keskenään. Esimerkiksi valoristikytkentätoiminnon toteutuminen voi tuhota johtavan kanavan ja heikentää sähköistä suorituskykyä. Huolellisen suunnittelun ja rakenteen ja aktiivisuuden suhteen perusteellisen tutkimuksen avulla tiimi varmisti lopulta, että fotoresisti voidaan silloittaa samalla kun sillä on hyvä johtavuus, prosessin vakaus ja erinomainen kokonaissuorituskyky.

Toinen suuri haaste on laitteiden standardoitu valmistus. "Tämä linkki vaatii toistuvaa tutkimista, ja olemme kokeneet monia epäonnistumisia." Wei Dacheng sanoi suoraan, että tiimi aloitti tyhjästä, keräsi kokemusta erilaisten kokeiden kautta ja hallitsee orgaanisen sirun suunnittelun ja valmistuksen avainteknologiat. Laitteiston osalta elektronisten laitteiden kehittäminen vaatii myös erityisiä laitteita ja koeolosuhteita.

Ryhmän valmistama orgaaninen fototransistoriryhmä 6 tuuman kiekolle

Elektronisten laitteiden kehittäminen ja optimointi on monimutkainen ja herkkä prosessi. "Jokaista yksityiskohtaa ei voida jättää huomiotta, koska se liittyy suoraan laitteen yleiseen suorituskykyyn. Tämän jälkeen meidän on jatkettava piirin suunnittelua varmistaaksemme, että se pystyy suorittamaan tiettyjä toimintoja ja vastaamaan todellisiin sovellustarpeisiin."

Monien testien jälkeen joukkueen orgaaninen siruvalmistustaso on tullut yhä läpimurtokykyisemmaksi. Jo vuonna 2021 Wei Dachengin tiimin kehittämän polymeeripuolijohdesirun integroitu laitetiheys on saavuttanut 100 000 transistoria neliösenttimetriä kohti. Nykyään heidän kehittämänsä fotolitografisesti valmistettu orgaanisten transistorien yhteenliittämismatriisi sisältää 4 500 × 6 000 pikseliä, joiden integrointitiheys on 3,1 miljoonaa transistoria neliösenttimetriä kohti, ja 27 miljoonaa laitetta integroituna täyden kehyksen kokoiselle sirulle, mikä saavuttaa erittäin laajan integrointitason (ULSI), johtavalla kansainvälisellä tasolla.

Runsaat ja monipuoliset sovellusmahdollisuudet, erittäin yhteensopiva puolijohdeteollisuuden tuotantolinjojen kanssa

"Orgaanisten sirujen syntyminen ei tarkoita sitä, että ne korvaavat piipohjaisia ​​siruja, vaan että niillä voi olla ainutlaatuisia etuja tietyillä aloilla, Wei Dacheng korosti, että orgaanisten puolijohdemateriaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia voidaan käyttää täydentämään nykyistä piitä." -pohjaisilla siruilla on joillakin aloilla keskeinen rooli.

Yksikiteiseen piiin verrattuna orgaanisten puolijohteiden ominaisuuksia ja toimintoja voidaan räätälöidä ohjatun synteesin avulla, mikä osoittaa merkittävää joustavuutta. On kiistatonta, että piipohjaiset sirut hallitsevat edelleen korkean suorituskyvyn sovellutuksia, kuten signaalinkäsittelyä, erityisesti joillakin huippuluokan aloilla, piipohjaiset sirut ovat edelleen ensisijainen valinta.

"Todellisissa sovellusskenaarioissa erilaiset tarpeet ovat synnyttäneet erilaisia ​​ratkaisuja. Innovatiivisissa sovelluksissa, kuten puettavat laitteet, aivo-tietokonerajapinnat ja elektroniset skinit, joilla on erityisiä sovellusvaatimuksia, orgaaniset sirut ovat osoittaneet ainutlaatuista arvoa. Suunnittelemalla huolellisesti molekyylirakenne, voimme antaa sille monipuolisia toiminnallisia ominaisuuksia ja mahdollistaa toimintojen tai sovellusten saavuttamisen, joita piipohjaisilla materiaaleilla ei ole", hän sanoi.

Orgaanisten puolijohteiden etuna ei ole vain niiden hyvä joustavuus, vaan myös kyky saavuttaa bioyhteensopivuus rakenteellisen säätelyn avulla ja mukautua siten paremmin ihmisen ympäristöön.

(a, b) Ihmissilmän ja bionisen verkkokalvon rakennekaaviot (c) valosähköisten synapsien suorituskyvyn osoittaminen 5 × 5 -transistoriryhmässä (d) Bionisen verkkokalvon ja perinteisten CMOS-valodetektorien vertailu hermoverkkopohjaisissa kuvantunnistusalgoritmeissa; Suorituskyvyn vertailu.

Esimerkiksi joustava verkkokalvo, yksi Wei Dachengin ryhmän paperin lopussa osoittamista bionisista elektronisista sovelluksista, ei ole vain yhtä suuri kuin ihmisen verkkokalvon fotoreseptorisoluja pikselitiheydellä, vaan sillä on myös samanlaiset muistivaikutukset ja kuvankäsittelytoiminnot. Ihmissilmän sopeutumiskykyä jäljittelemällä tällä tekniikalla voidaan tarjota visuaalisia apuvälineitä ja lääketieteellisiä implantteja ratkaisuilla, jotka ovat lähempänä ihmiskehon fysiologisia ominaisuuksia ja osoittavat uuden suunnan bioniselle teknologialle tulevaisuudessa.

Joustavan näytön alalla esimerkkinä yleinen orgaaninen valodiodi (OLED) Juuri orgaanisten pienmolekyylisten materiaalien käytön ansiosta näyttöä voidaan taivuttaa ja taittaa, jolloin syntyy nykypäivän suosittu taitettava näyttö. matkapuhelimet. Tiimin tekniikkaa voidaan soveltaa myös seuraavan sukupolven joustavan näyttötekniikan ja ohjainpiirien etsimiseen, jotka ovat ohuita, kevyitä ja taipuisia.

Tällä hetkellä tiimi etsii aktiivisesti yhteistyömahdollisuuksia teollisuuden kanssa toteuttaakseen tieteellisten tutkimustulosten muutosta. Tämä tekniikka on erittäin yhteensopiva nykyisen mikroelektroniikkateollisuuden kanssa fotolitografiatekniikan käytön ansiosta. Tämä tarkoittaa, että olemassa olevilla piipohjaisilla prosessilinjoilla voidaan saavuttaa laajamittaista tuotantoa, mikä alentaa merkittävästi teollistumisen kynnystä.

"Markkinoiden kysyntään perustuva räätälöity tutkimus- ja kehitystyö on avain tieteellisten tutkimustulosten kaupallistamiseen." odotetaan edistävän edelleen mikroelektroniikan teknologian monipuolista kehitystä.