Νέα

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Η αδιάκοπη επιδίωξη των επιστημονικών και τεχνολογικών εργαζομένων είναι η δημιουργία τσιπ μικρότερων σε μέγεθος, με ισχυρότερη απόδοση και υψηλότερη ενσωμάτωση. Η ομάδα του καθηγητή Wei Dacheng από το State Key Laboratory of Polymer Molecular Engineering στο Τμήμα Επιστήμης Πολυμερών του Πανεπιστημίου Fudan σχεδίασε έναν νέο τύπο φωτοανθεκτικού ημιαγωγού με εξαιρετική απόδοση, χρησιμοποιώντας τεχνολογία φωτολιθογραφίας για την ενσωμάτωση 27 εκατομμυρίων οργανικών τρανζίστορ σε μέγεθος πλήρους καρέ τσιπ και πραγματοποίησε τη Διασύνδεση, από 100.000 το 2021 σε 27 εκατομμύρια σήμερα, η ομάδα συνέχισε να κάνει καινοτομίες στην ενσωμάτωση τσιπ πολυμερών ημιαγωγών τα τελευταία χρόνια, οδηγώντας τον κόσμο να φτάσει στο επίπεδο ολοκλήρωσης εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας, παρέχοντας σημαντική υποστήριξη για οργανικά τσιπ για περαιτέρω μετάβαση προς πρακτικές εφαρμογές.

Διασυνδεδεμένες συστοιχίες οργανικών τρανζίστορ υψηλής πυκνότητας σε εύκαμπτα υποστρώματα

Αντλώντας διδάγματα από την τεχνολογία λιθογραφίας τσιπ με βάση το πυρίτιο για την αύξηση του επιπέδου ολοκλήρωσης των οργανικών τσιπ σε δεκάδες εκατομμύρια

Αυτό που οι άνθρωποι αποκαλούν "τσιπ" κάθε μέρα αναφέρεται κυρίως σε τσιπ με βάση το πυρίτιο - ένα τσιπ ημιαγωγών από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στους υπολογιστές, τις επικοινωνίες και άλλους τομείς. Τα οργανικά τσιπ, κατασκευασμένα από οργανικά υλικά, όπως πολυμερείς ημιαγωγοί και συζευγμένα μικρά μόρια, έχουν τα πλεονεκτήματα της εσωτερικής ευελιξίας, της βιοσυμβατότητας και του χαμηλού κόστους και έχουν σημαντικές προοπτικές εφαρμογής σε αναδυόμενους τομείς, όπως φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και βιοηλεκτρονικές συσκευές.

Με την ανάπτυξη της σύγχρονης τεχνολογίας πληροφοριών, η πυκνότητα ολοκλήρωσης των λειτουργικών τσιπ γίνεται όλο και μεγαλύτερη. Η πυκνότητα των συσκευών με ολοκληρωμένο τσιπ με βάση το πυρίτιο έχει ξεπεράσει τα 200 εκατομμύρια τρανζίστορ ανά τετραγωνικό χιλιοστό Σε σύγκριση, τα οργανικά τσιπ υστερούν πολύ από τα τσιπ με βάση το πυρίτιο όσον αφορά την ενοποίηση και την αξιοπιστία.

Η ολοκλήρωση τσιπ μπορεί να χωριστεί σε ολοκλήρωση μικρής κλίμακας (SSI), ολοκλήρωση μεσαίας κλίμακας (MSI), ενοποίηση μεγάλης κλίμακας (LSI), ολοκλήρωση πολύ μεγάλης κλίμακας (VLSI) και ενοποίηση εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας (ULSI) Οι ποσότητες είναι μεγαλύτερες από 2, 26, 211, 216 και 221 αντίστοιχα.

Σύμφωνα με προηγούμενες δημόσιες αναφορές, το υψηλότερο επίπεδο ολοκλήρωσης των τσιπ πολυμερών ημιαγωγών έχει φτάσει στο επίπεδο ολοκλήρωσης μεγάλης κλίμακας (LSI). Για παράδειγμα, το 2021, μια ξένη ομάδα παρήγαγε την υψηλότερη ελαστική πυκνότητα συστοιχίας τρανζίστορ, η οποία μπορεί να ενσωματώσει περισσότερα από 10.000 ελαστικά τρανζίστορ σε μια περιοχή μικρότερη από τον αντίχειρά σας (0,238 c㎡).

Είναι δυνατόν να βελτιωθεί περαιτέρω η ενσωμάτωση οργανικών τσιπ; Τώρα, η ομάδα του Wei Dacheng έδωσε την απάντηση - σχεδίασε ένα λειτουργικό φωτοανθεκτικό, χρησιμοποιώντας τεχνολογία φωτολιθογραφίας για να ενσωματώσει 27 εκατομμύρια οργανικά τρανζίστορ σε ένα τσιπ πλήρους πλαισίου και να πραγματοποιήσει διασυνδέσεις, επιτυγχάνοντας ένα επίπεδο ολοκλήρωσης εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας .

"Έχουμε ξεπεράσει την παραδοσιακή τεχνολογία επεξεργασίας οργανικών τσιπς, ο Wei Dacheng είπε ότι σε αντίθεση με τα τσιπ με βάση το πυρίτιο, οι μέθοδοι κατασκευής των παραδοσιακών οργανικών τσιπ περιλαμβάνουν κυρίως εκτύπωση μεταξοτυπίας, εκτύπωση inkjet, εξάτμιση κενού, επεξεργασία φωτολιθογραφίας κ.λπ.." από την τεχνολογία Photolithography για τσιπ με βάση το πυρίτιο έχει αυξήσει το επίπεδο ολοκλήρωσης των οργανικών τσιπ σε επίπεδο δεκάδων εκατομμυρίων.

(α) Σύνθεση φωτοανθεκτικού υλικού. (PQD-nanocell OPT) και υπάρχοντα εμπορικά τσιπ απεικόνισης CMOS καθώς και οργανικά τσιπ απεικόνισης που κατασκευάζονται με άλλες μεθόδους.

Το κλειδί για την τεχνολογία φωτολιθογραφίας βρίσκεται στο φωτοανθεκτικό. Το φωτοανθεκτικό, γνωστό και ως φωτοανθεκτικό, παίζει σημαντικό ρόλο στην κατασκευή τσιπς.

Το παραδοσιακό φωτοανθεκτικό χρησιμοποιείται μόνο ως πρότυπο επεξεργασίας και δεν έχει λειτουργίες όπως η αγωγιμότητα και η αίσθηση πρέπει να καθαριστεί μετά τη χρήση. Η ομάδα του Wei Dacheng ανέπτυξε αυτό το νέο λειτουργικό φωτοανθεκτικό, το οποίο σχηματίζει μια νανοδιαπερατή δομή δικτύου μετά από διασταυρούμενη σύνδεση των φωτογραφιών μοτίβα, και το ίδιο το σχέδιο είναι ημιαγωγός, απλοποιώντας τη διαδικασία κατασκευής τσιπ.

Το φωτοανθεκτικό μπορεί να επιτύχει διαφορετικές λειτουργίες αίσθησης προσθέτοντας αισθητήρες υποδοχείς. Προκειμένου να επιτευχθεί εξαιρετικά ευαίσθητη φωτοηλεκτρική ανίχνευση, η ομάδα φόρτωσε δομημένα νανοσωματίδια με κέλυφος πυρήνα με φωτοβολταϊκά εφέ στο φωτοανθεκτικό υλικό. Υπό φωτισμό, τα νανοφωτοβολταϊκά σωματίδια δημιουργούν φωτογεννημένους φορείς και τα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται από τον πυρήνα, με αποτέλεσμα τον επιτόπιο έλεγχο του πλέγματος, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά τη φωτοαπόκριση της συσκευής.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Nature Nanotechnology στις 4 Ιουλίου με τον τίτλο "Φωτοβολταϊκά νανοκύτταρα για υψηλής απόδοσης ολοκληρωμένα οργανικά φωτοτρανζίστορ".

Πέντε χρόνια διεπιστημονικής έρευνας για να ξεπεραστούν οι βασικές δυσκολίες στην παραγωγή βιολογικών τσιπ

Από το 2018, η ομάδα του Wei Dacheng έχει ξεκινήσει το ταξίδι έρευνας και ανάπτυξης φωτοανθεκτικών ημιαγωγών και ο ίδιος ασχολείται με την έρευνα σε οργανικά υλικά ημιαγωγών από την περίοδο του μεταπτυχιακού του. «Αν ένα έργο πρόκειται να επιτύχει πραγματικά μια σημαντική ανακάλυψη, θα απαιτήσει σίγουρα μια μακρά περίοδο συσσώρευσης Είπε ότι η ομάδα όχι μόνο δοκίμασε διαφορετικά υλικά και δομές, αλλά και συσσώρευσε πλούσια πρακτική εμπειρία».

Ως καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης Πολυμερών, ο Wei Dacheng είπε ότι η επιτυχής ανάπτυξη του λειτουργικού φωτοανθεκτικού είναι αδιαχώριστη από μια διεπιστημονική ομάδα επιστημονικής έρευνας.Τα μέλη της ομάδας πρέπει όχι μόνο να κατέχουν επαγγελματικές γνώσεις όπως η χημική σύνθεση και η επιστήμη των υλικών, αλλά και να ξεπερνούν τα επαγγελματικά εμπόδια και να μάθουν να εφαρμόζουν γνώσεις όπως ο σχεδιασμός και η κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών.

Ο Wei Dacheng βγάζει φωτογραφίες με μαθητές

«Πρέπει να κατανοήσουμε πολλά ζητήματα, όπως το πώς να σχεδιάσουμε και να συνθέσουμε οργανικά υλικά υψηλής απόδοσης, πώς να κατασκευάσουμε με ακρίβεια ηλεκτρονικές συσκευές μέσω της τεχνολογίας φωτολιθογραφίας και πώς να βελτιστοποιήσουμε τις δομές των συσκευών για να βελτιώσουμε την απόδοση, κατά την άποψη του Wei Dacheng Το μοντέλο απαιτεί Δάσκαλοι και μαθητές συνεχίζουν να μαθαίνουν νέες γνώσεις και να αντιμετωπίζουν και να λύνουν διάφορα προβλήματα από κοινού.

Κατά τη διαδικασία έρευνας και ανάπτυξης, μια σημαντική δυσκολία που αντιμετώπισε η ομάδα ήταν ο δομικός σχεδιασμός της αθροιστικής κατάστασης του λειτουργικού φωτοανθεκτικού. Διαφορετικές λειτουργίες φωτοαντίστασης συχνά επηρεάζουν η μία την άλλη, για παράδειγμα, η πραγματοποίηση της λειτουργίας φωτοδιασταύρωσης μπορεί να καταστρέψει το αγώγιμο κανάλι και να προκαλέσει μείωση της ηλεκτρικής απόδοσης. Μέσω προσεκτικού σχεδιασμού και εις βάθος μελέτης της σχέσης δομής-δραστηριότητας, η ομάδα εξασφάλισε τελικά ότι το φωτοανθεκτικό μπορεί να διασταυρωθεί ενώ έχει επίσης καλή αγωγιμότητα, σταθερότητα διαδικασίας και εξαιρετική συνολική απόδοση.

Μια άλλη μεγάλη πρόκληση έγκειται στην τυποποιημένη κατασκευή συσκευών. «Αυτή η σύνδεση απαιτεί επανειλημμένη εξερεύνηση και έχουμε βιώσει πολλές αποτυχίες, είπε ειλικρινά ότι η ομάδα ξεκίνησε από το μηδέν, συσσώρευσε εμπειρία μέσω διαφόρων πειραμάτων και κατέκτησε τις βασικές τεχνολογίες του σχεδιασμού και της κατασκευής οργανικών τσιπ». Από πλευράς υλικού, η ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών απαιτεί επίσης συγκεκριμένο εξοπλισμό και πειραματικές συνθήκες.

Η οργανική διάταξη φωτοτρανζίστορ που παρασκευάστηκε από την ομάδα σε μια γκοφρέτα 6 ιντσών

Η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση ηλεκτρονικών συσκευών είναι μια πολύπλοκη και λεπτή διαδικασία. "Κάθε λεπτομέρεια δεν μπορεί να αγνοηθεί, επειδή σχετίζεται άμεσα με τη συνολική απόδοση της συσκευής. Στη συνέχεια, πρέπει να συνεχίσουμε να σχεδιάζουμε τη διάταξη του κυκλώματος για να διασφαλίσουμε ότι μπορεί να εκτελέσει συγκεκριμένες λειτουργίες και να καλύψει τις πραγματικές ανάγκες εφαρμογής."

Μετά από πολλές δοκιμές, το επίπεδο παραγωγής οργανικών τσιπ της ομάδας γίνεται όλο και πιο πρωτοποριακό. Ήδη από το 2021, η ενσωματωμένη πυκνότητα συσκευής του τσιπ πολυμερούς ημιαγωγού που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Wei Dacheng έχει φτάσει τα 100.000 τρανζίστορ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Σήμερα, η φωτολιθογραφικά παραγόμενη συστοιχία διασύνδεσης οργανικών τρανζίστορ που ανέπτυξαν περιέχει 4500 × 6000 εικονοστοιχεία, με πυκνότητα ολοκλήρωσης 3,1 εκατομμυρίων τρανζίστορ ανά τετραγωνικό εκατοστό και 27 εκατομμύρια συσκευές ενσωματωμένες σε ένα τσιπ μεγέθους πλήρους πλαισίου, φτάνοντας σε ένα εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας επίπεδο ολοκλήρωσης (ULSI), σε διεθνές κορυφαίο επίπεδο.

Πλούσιες και ποικίλες προοπτικές εφαρμογής, εξαιρετικά συμβατές με τις γραμμές παραγωγής της βιομηχανίας ημιαγωγών

"Η γέννηση των οργανικών τσιπ δεν σημαίνει ότι θα αντικαταστήσουν τα τσιπ με βάση το πυρίτιο, αλλά ότι μπορούν να ασκήσουν μοναδικά πλεονεκτήματα σε συγκεκριμένα πεδία." -οι μάρκες που βασίζονται σε ορισμένα πεδία παίζουν βασικό ρόλο.

Σε σύγκριση με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, οι ιδιότητες και οι λειτουργίες των οργανικών ημιαγωγών μπορούν να προσαρμοστούν μέσω ελεγχόμενης σύνθεσης, επιδεικνύοντας σημαντική ευελιξία. Είναι αναμφισβήτητο ότι τα τσιπ που βασίζονται σε πυρίτιο εξακολουθούν να κυριαρχούν σε εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπως η επεξεργασία σήματος, ειδικά σε ορισμένους τομείς υψηλής τεχνολογίας, τα τσιπ με βάση το πυρίτιο εξακολουθούν να είναι η πρώτη επιλογή σήμερα.

"Στα πραγματικά σενάρια εφαρμογών, διαφορετικές ανάγκες έχουν οδηγήσει σε διαφορετικές λύσεις. Για καινοτόμες εφαρμογές όπως φορητές συσκευές, διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή και ηλεκτρονικά δέρματα με ειδικές απαιτήσεις εφαρμογής, τα οργανικά τσιπ έχουν δείξει μοναδική αξία. Σχεδιάζοντας προσεκτικά τη μοριακή δομή, μπορούμε να του δώσουμε διάφορες λειτουργικές ιδιότητες και να του επιτρέψουμε να επιτύχει λειτουργίες ή εφαρμογές που δεν έχουν τα υλικά με βάση το πυρίτιο», είπε.

Το πλεονέκτημα των οργανικών ημιαγωγών δεν είναι μόνο η καλή ευελιξία τους, αλλά και η ικανότητά τους να επιτυγχάνουν βιοσυμβατότητα μέσω δομικής ρύθμισης, με αποτέλεσμα να προσαρμόζονται καλύτερα στο ανθρώπινο περιβάλλον.

(α, β) Δομικά διαγράμματα του ανθρώπινου ματιού και του βιονικού αμφιβληστροειδούς (γ) Επίδειξη της απόδοσης της φωτοηλεκτρικής σύναψης σε μια συστοιχία τρανζίστορ 5 × (δ) Σύγκριση βιονικού αμφιβληστροειδούς και παραδοσιακών φωτοανιχνευτών CMOS σε αλγόριθμους αναγνώρισης εικόνας. Σύγκριση απόδοσης.

Για παράδειγμα, ο εύκαμπτος αμφιβληστροειδής, μια από τις βιονικές ηλεκτρονικές εφαρμογές που έδειξε η ομάδα του Wei Dacheng στο τέλος της εργασίας, δεν είναι μόνο ισοδύναμος σε πυκνότητα εικονοστοιχείων με τα κύτταρα φωτοϋποδοχέα του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς, αλλά έχει επίσης παρόμοια εφέ μνήμης και επεξεργασία εικόνας λειτουργίες. Μιμούμενη την προσαρμοστικότητα του ανθρώπινου ματιού, αυτή η τεχνολογία μπορεί να παρέχει οπτικά βοηθήματα και ιατρικά εμφυτεύματα με λύσεις που είναι πιο κοντά στα φυσιολογικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου σώματος, υποδεικνύοντας μια νέα κατεύθυνση για τη βιονική τεχνολογία στο μέλλον.

Στον τομέα των εύκαμπτων οθονών, πάρτε ως παράδειγμα την κοινή οργανική δίοδο εκπομπής φωτός (OLED) Είναι ακριβώς λόγω της εφαρμογής οργανικών υλικών μικρών μορίων που η οθόνη μπορεί να λυγίσει και να διπλωθεί, δημιουργώντας τη σημερινή δημοφιλή αναδιπλούμενη οθόνη. κινητά τηλέφωνα. Η τεχνολογία της ομάδας μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στην επιδίωξη της επόμενης γενιάς τεχνολογίας ευέλικτης οθόνης και κυκλωμάτων οδηγού που είναι λεπτά, ελαφριά και εύκαμπτα.

Επί του παρόντος, η ομάδα αναζητά ενεργά ευκαιρίες συνεργασίας με τη βιομηχανία για να πραγματοποιήσει τον μετασχηματισμό των αποτελεσμάτων της επιστημονικής έρευνας. Αυτή η τεχνολογία είναι εξαιρετικά συμβατή με την υπάρχουσα βιομηχανία μικροηλεκτρονικής λόγω της χρήσης της τεχνολογίας φωτολιθογραφίας. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να επιτευχθεί παραγωγή μεγάλης κλίμακας σε υπάρχουσες γραμμές επεξεργασίας με βάση το πυρίτιο, μειώνοντας έτσι σημαντικά το όριο για εκβιομηχάνιση.

"Η εξατομικευμένη έρευνα και ανάπτυξη με βάση τη ζήτηση της αγοράς θα είναι το κλειδί για την εμπορευματοποίηση των αποτελεσμάτων της επιστημονικής έρευνας." αναμένεται να προωθήσει περαιτέρω τη διαφοροποιημένη ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροηλεκτρονικής.