世界首個互補式電化學邏輯電路問世：可在水中運行！

導讀

近日，瑞典林雪平大學有機電子實驗室的研究人員開發出世界上首個互補式電化學邏輯電路，它可以在水中長期穩定地運行。在生物電子開發領域，這是一項具有標誌性意義的突破性進展。

背景

一般來說，傳統意義上的電子器件是由無機導體和半導體例如：銅和硅等製成。然而，有機電子（Organic electronics）則屬於一個新興前沿科技領域。不同於傳統的無機電子器件，它是由碳基的高分子和小分子材料製成。

有機電子器件優勢包括：成本低、重量輕、柔性高、熱穩定性強、製造簡便等等。此外，有機電子器件的應用範圍也非常廣闊，下面舉幾個筆者之前介紹過的例子來看一下。

1）美國麻省理工學院將低成本的有機材料（含碳）與柔性、透明的石墨烯電極像結合，開發出一種柔性、透明的有機太陽能電池。

（圖片來源：MIT）

2）韓國科學技術院的科研團隊開發出一種超柔性的有機閃速存儲器，它可彎曲到低至300μm的半徑。這種存儲器不僅具有與現有工業標準相同的編程電壓，而且具有相當長的數據預計保留時間。

（圖片來源：KAIST）

3）法國斯特拉斯堡大學、國家科學研究中心(CNRS）、柏林洪堡大學 、斯洛維尼亞新戈里察大學的研究人員組成的研究團隊開發出一種柔性、非易失的、由有機納米材料組成的光學存儲薄膜晶體管器件。

（圖片來源： Paolo Samori/CNRS）

4）美國斯坦福大學的科研人員成功研製出一種柔性、有機、可生物降解的電子設備。它不僅環保，而且具有很好的生物相容性，能夠應用於可穿戴設備、植入式設備等電子產品領域。

（圖片來源：斯坦福大學/Bao lab）

5）美國喬治亞理工學院 Reynolds 實驗室開發出一種電致變色薄膜，它是由共軛聚合物、富有色彩的和電活性的有機分子製成。

（圖片來源：喬治亞理工學院）

創新

近日，瑞典林雪平大學（ Link?ping University）有機電子實驗室的研究人員開發出世界上首個互補式電化學邏輯電路，可以在水中長期穩定地運行。這將成為生物電子學開發方面的一項顯著的突破性進展。

（圖片來源：Thor Balkhed）

林雪平大學有機電子實驗室有機納米電子小組的負責人 Simone Fabiano 和他的同事們一起將論文發表於《高級材料》雜誌。

技術

早在2002年，林雪平大學的研究人員就展示了首個可印刷的有機電化學晶體管。從那時起，這方面的研究就突飛猛進。一些有機電子組件，例如發光二極體和電致變色顯示器，已經開始商用。

目前為止，一直占支配地位的材料就是：PEDOT:PSS，這是一種P型半導體材料材料。在這種材料中，載流子主要是空穴。為了構建出有效的電子元器件，也需要一種與之互補的材料：N型半導體材料。在N型半導體材料中，載流子主要是自由電子。

然而，尋找一種足夠穩定的材料，使之可以在水介質中運行，而且當材料摻雜時，其中的長鏈聚合物可以承受住高電流，這一直都是一個難題。

然而根據研究論文，一種N型導電材料中的梯狀聚合物骨架結構有利於穩定以及摻雜時的高電流。其中一個例子便是BBL，聚合物(benzimidazobenzophenanthroline)，一種常用於太陽能電池研究的材料。

博士後研究員 Hengda Sun 開發出一種方案，創造出較厚的膜材料。然而膜越厚，導電性能越好。Simone Fabiano 表示：「我們使用噴塗工藝製造出厚度達200納米的薄膜。它可以達到極高的導電率。」

這種方法也可以成功應用於具有大表面的印刷電子技術。Hengda Sun 也表示這種電路在氧氣和水中，都能持久有效地運行。

價值

Simone Fabiano 表示：「一眼看上去，這有點像在某個特殊領域中的小進展，但是它的偉大之處在於後續將啟發很多的應用。現在，我們可以構建出互補邏輯電路（變頻器、感測器和其他元器件），它們都可以在潮濕環境中運行。」

有機電子系教授、有機電子實驗室負責人 Magnus Berggren 表示：「純粹基於P型電化學晶體管的邏輯電路中需要電阻器。所以這些電路很笨重，而且這也限制了它們的應用範圍。通過工具包中的N型材料，我們可以製造出互補式電路，這些電路的空間效率更高，因為邏輯電路中不再需要電阻器。」

未來，有機元器件的應用包括：能夠印刷在織物或者紙張上的邏輯電路、各種廉價的感測器、非剛性和柔性的顯示器，尤其是廣泛的生物電子領域。在人體中的離子導電系統和電子元器件例如感測器之間，能夠傳導離子和電子的聚合物將成為一座橋樑。

關鍵字

有機電子、半導體、電路

參考資料

【1】https://liu.se/en/news-item/jattekliv-inom-den-organiska-elektroniken

【2】Hengda Sun, Mikhail Vagin, Suhao Wang, Xavier Crispin, Robert Forchheimer, Magnus Berggren, Simone Fabiano,. Complementary logic circuits based on high-performance n-type organic electrochemical transistor. Advanced Materials, 2017 DOI: 10.1002/adma.201704916R2

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