Figur 1:En mycket termostabil organisk transistor tillverkad på en tunn plastfilm. Teamet lyckades bygga en låg drivspänning och en hög termostabil organisk krets på en plastfilm genom att använda SAM-molekylen för portisolatorn, och högvärmebeständiga halvledare för halvledarskikt.
Ett internationellt forskarlag har lyckats tillverka på en polymerfilm världens första flexibla organiska transistor som är tillräckligt robust under medicinsk steriliseringsprocess vid hög temperatur. Studien ska publiceras online i Naturkommunikation den 6 mars, 2012.
I ett allvarligt åldrande samhälle med sjunkande födelsetal, Elektronik ökar sin betydelse inom hälso- och sjukvårdsområdet i takt med att fler IT-enheter introduceras. Mot denna bakgrund, en förväntning blir högre på en organisk transistor, som är en mjuk elektronisk strömbrytare. En flexibel organisk transistor kan enkelt tillverkas på en biokompatibel polymerfilm, och detta är anledningen till att den förväntas använda den till en bärbar hälsomonitor utan stress, och/eller implanterbara anordningar såsom en mjuk pacemaker. För praktiskt genomförande, det är avgörande (1) att utnyttja dess mjukhet och biokompatibilitet på bästa sätt, samtidigt (2) för att minska drivspänningen till några V, och (3) för att minska risken för infektioner genom sterilisering, av säkerhetsskäl. Ända tills nu, dock, de befintliga organiska transistorerna hade enorma hinder för praktisk användning inom hälso- och medicinområdet. Till exempel, typisk drivspänning för bildskärmar är hög (dvs. 20 till 80 V) och/eller och den är inte hållbar under sterilisering vid hög temperatur.
Teamet har lyckats tillverka på en polymerfilm en organisk transistor som har hög termisk stabilitet och drivspänning på 2V samtidigt. Den nya typen av organisk transistor kan steriliseras i en standard steriliseringsprocess (150 °C värmebehandling) utan att försämras i dess elektriska prestanda. Nyckeln till att förverkliga värmebeständig organisk transistor ligger i formningstekniken för en ultratunn isolatorfilm:Teamet utvecklar en teknik för att bilda utomordentligt tätt packade självmonterade monolager (SAM) filmer, vars tjocklek är så liten som 2 nanometer, på en polymerfilm. Detta gör att de kan höja substrattemperaturen upp till 150 °C utan att skapa hål genom SAM-filmer under högtemperaturbehandlingen. Man tror att ultratunn enskiktsfilm som SAM lätt bryts ned av termiska processer; dock, Det har oväntat demonstrerats att tätt packad SAM är stabil vid 150 °C eller högre. Detta resultat bevisas också genom systematisk karakterisering av kristallografiska strukturer av SAM med användning av en synkrotronstrålningsstråle. Vidare, genom att anta ett nytt inkapslingsskikt bestående av organiska/metallkompositmaterial och extremt termiskt stabila organiska halvledare med hög rörlighet, den termiska stabiliteten hos organiska transistorer är nu förbättrad upp till 150 °C.
Det borde dra större nytta av att applicera denna värmebeständiga organiska transistor på långsiktiga implanterbara enheter, eller till vissa medicinska apparater som en smart kateter. Med dessa applikationer, det förväntas bredda användningen av transistorn till medicinsk utrustning som tunnfilmssensor som kommer att upptäcka tumörer, inflammationer, och eller cancer.
Det internationella teamet leds av Dr. Takao Someya, som är professor vid University of Tokyo (president:Jyunichi Hamada, Ph.D.), en forskningschef för ERATO (Exploratory Research for Advanced Technology) "Someya Bio-Harmonized Electronics Project" från Japan Science and Technology Agency (JST, President:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), och en global forskare vid Princeton University (president:Shirley M. Tilghman, Ph.D.), i samarbete med docent Tsuyoshi Sekitani vid University of Tokyo och professor Yueh-Lin (Lynn) Loo vid Princeton University. Detta gemensamma forskningsprojekt genomfördes också med följande institutioner:Max Planck Institute for Solid State Research, Tyskland, National Institute of Standards and Technology, NIST, U.S., Hiroshima University, och Nippon Kayaku Co., Japan.
Till följd av ett allvarligt sjunkande födelsetal och en växande andel äldre, IT-enheter introduceras snabbt inom hälso- och sjukvårdsområdet. Ett av de goda exemplen är internetuppkopplingen av en sjukvårdsenhet mellan en patients hem och ett sjukhus. Internet gjorde det möjligt för en läkare att övervaka tålamodets hjärtfrekvenser och vikter borta från hans/hennes hem. Miniatyriseringen av medicinska apparater som endoskop har lyckats minimera patienternas bördor och/eller invasivitet. På det här sättet, inom det medicinska och hälsovårdsområdet, elektronik ökar sin betydelse. Verkligen, på hälso- och sjukvårdsmarknaden, elektronik förväntas växa med 120 % varje år i följd fram till 2015.
I denna bakgrund, en organisk transistor, som är en flexibel elektronisk strömbrytare, drar till sig mycket uppmärksamhet eftersom den lätt kan tillverkas på en biokompatibel polymerfilm. En biokompatibel organisk transistor skulle vara lämplig för tillämpningar av ett stressfritt bärbart hälsoövervakningssystem och implanterbara enheter som en mjuk pacemaker. För praktiskt genomförande, det är avgörande (1) att utnyttja dess mjukhet och biokompatibilitet på bästa sätt, samtidigt (2) för att minska drivspänningen till några V, och (3) för att minska risken för infektioner genom sterilisering, av säkerhetsskäl. Ända tills nu, dock, de befintliga organiska transistorerna hade enorma hinder för praktisk användning inom hälso- och medicinområdet. Till exempel, typisk drivspänning för bildskärmar är hög (dvs. 20 till 80 V) och/eller och den är inte hållbar under sterilisering vid hög temperatur.
Teamet har lyckats tillverka på en polymerfilm en organisk transistor som har världens första 150 °C termostabilitet och samtidigt sin drivspänning på 2V. Nyckeln för att förverkliga den värmebeständiga organiska transistorn är (1) självmonterat monolager (SAM) och (2) en tätningsfilm, som kommer att diskuteras senare. Den mycket termiska stabiliteten som vi hade insett exploderade den typiska teorin att en ultratunn monolagerfilm på nanometer i storlek lätt påverkades av värme. Detta resultat bevisades också av den systematiska analysen av exakta kristallografiska karakteriseringar med hjälp av en synkrotronstrålningsstråle, som kommer att beskrivas i (3) i detalj. Vidare, den organiska transistorn har framgångsrikt steriliserats under en standardsteriliseringsprocess (150 °C värmebehandling) utan att ha blivit elektriskt försämrad. Detta kommer att diskuteras i (4).
(1) Mycket termostabil självmonterad monolager (SAM) grindisolator
En nyckelteknologi för utvecklingen av steriliserbar organisk transistor är den 2 nm tjocka ultratunna självmonterade monolagerfilmen (SAM). Att minska tjockleken på en gateisolatorfilm är känt som det effektiva sättet att minska drivspänningen hos en organisk transistor. Av säkerhetsskäl, det är nödvändigt att tunna ner en grindisolatorfilm till några nanometers tjocklek för att minska drivspänningen ner till 2V. Teamet använde SAM-film för en portisolator tidigare. De försökte optimera tillverkningsprocessen för SAM ur värmebeständighetssynpunkt. Som ett resultat, genom att väsentligt förbättra kristallin ordning av tätt packade SAM-filmer på en polymerfilm, de lyckas bilda en isolatorfilm som inte skapar nålhål, orsaken till en läckström, även under en hög värmebehandling. Detta blir möjligt genom att optimera plasmatillståndet under formningsprocessen av tunna aluminiumoxidfilmer ovanpå polymerfilmen, vilket resulterar i ett sätt att undvika att filmen skadas under en plasmaprocess.
(2) Ett inkapslingsskikt innefattande organiska och metallkompositfilmer
En förbättring av termisk stabilitet hos en SAM-portisolator är inte tillräckligt för att uppnå den höga termiska stabiliteten hos en organisk transistor. I vanliga fall, Organiska halvledare som utgör kanalskiktet i organisk transistor är kända för att lätt brytas ned av värme. Vari, en organisk halvledare, som är noggrant utvald bland värmebeständiga material, är dinaftotienotiofen (DNTT) i experimentet. Vidare, efter att ha tillverkat en organisk transistor, transistorn är helt täckt av en flexibel, värmebeständigt inkapslingsskikt bestående av organiska och metallkompositfilmer (Figur 2). Inkapslingsskiktet hindrar DNTT från att sublimera med värme, och det förhindrar att element förstörs avsevärt. Dessutom, det har visat sig att den elektroniska karakteristiken för en organisk transistor förblir praktiskt taget oförändrad även efter att ha doppats i det kokande vattnet.
Figur 2:En schematisk anordningsstruktur (a) och en bild (b) av en termiskt stabil organisk transistor. En organisk transistor är täckt med ett flexibelt inkapslingsskikt som har både tätningsegenskaper och termisk stabilitet.
(3) Strukturell karakterisering av nanometertjocka filmer med synkrotronstrålningsstrålar
De kristallografiska strukturerna hos SAM-filmer undersöks. För att vara exakt, grindisoleringsfilmen som användes i experimentet består av två lager, nämligen, 4 nm tjock aluminiumoxid och 2 nm tjock självmonterad monolager. Den termiska motståndskraften hos aluminiumoxid har varit känd länge; dock, det har inte publicerats någon rapport om en strukturell analys av SAM-film, inte heller en rapport för att bevisa strukturell stabilitet hos SAM-film inbäddad i enheterna vid hög temperatur. Detta beror på svårigheten att analysera strukturen hos en så tunn SAM-film med en molekylär skikttjocklek med hjälp av röntgenanalys.
Teamet försökte exakt karakterisera kristallografiska strukturer av en SAM-film för att utvärdera värmebeständigheten hos en organisk transistor. Observera att tjockleken på en SAM-film är så liten som 2 nanometer. Genom att använda en synkrotronstrålningsstråle, det är bevisat, för första gången, som vi förstår det, den kristallografiska strukturen hos en SAM-film uppvisar någon försämring av molekylär ordning även vid 150 °C eller högre temperatur. Detta resultat störtade oväntat vad man hade trott att en ultratunn monolagerfilm med några nanometers tunnhet lätt måste brytas ned av värme.
Analysen genomfördes tillsammans med professor Yueh-Lin (Lynn) Loo från Princeton University och en grupp vid NIST, och en synkrotronstrålningsstråle vid Brookhaven National Laboratory används.
(4) Skapandet av medicinsk flexibel elektronik
De högtermostabila organiska transistorerna kan steriliseras utan att försämras elektriskt. Teamet utvärderade elementens värmebeständighet för tre olika standarduppvärmningssteriliseringsprocesser som används i stor utsträckning för att sterilisera medicinska apparater:de är (1) en värmebehandling vid en temperatur på 150 °C i 20 sekunder vid atmosfärstryck, (2) en värmebehandling vid 2 atmosfärstryck, 121 °C i 20 sekunder, och (3) en sterilisering genom kokning.
Först, den termiska stabiliteten hos den tillverkade organiska transistorn förbättras genom glödgningsprocess vid 160 °C, vilket är något högt än den typiska glödgningstemperaturen för sterilisering. Andra, bakterier odlas på ovan nämnda transistor. Till sist, antalet bakterier och de elektriska egenskaperna mäts före och efter den medicinska steriliseringsprocessen. Som ett resultat, nästan alla bakterier dog av efter steriliseringen; dock, transistorns elektriska egenskaper är praktiskt taget oförändrade (en försumbar nivå).
Till skillnad från de konventionella oorganiska materialen, organiska transistorer kan göra lätta och mekaniskt flexibla elektroniska enheter, eftersom de kan byggas på polymerfilm genom en lågtemperaturbearbetning. Organiska transistorer kan också tillverkas genom tryckprocesser:Detta möjliggjorde en drastisk kostnadsminskning vid tillverkning av transistorer med stor yta, jämfört med de som är gjorda med kisel. En av de viktigaste drivtillämpningarna för organiska transistorer är e-papper. Ända tills nu, Someya och hans medarbetare har intensivt undersökt tillämpningen av organiska transistorer på sensorer med stor yta eller ställdon med stor yta. Teamet har visat möjligheten att implementera organiska transistorer till storareaelektronik. En serie av deras prestationer inkluderar en robot e-skin (2003), en arktypsskanner (2004), en ultratunn punktskriftsskärm (2005), ett ark för trådlös kraftöverföring (2006), ett kommunikationsblad (2007), ett ultraljudsark (2008), ett flashminne (2009).
Nyligen, Organiska transistorer är längtade efter att kunna implementeras i medicin- och hälsovårdsutrustning på grund av deras biokompatibilitet. Dock, det är oumbärligt att dessa enheter steriliseras. Därför, det har krävts att dessa organiska kretsar byggda på plastfilmer ska vara stabila genom värmebehandling, och att de drivs med låg spänning.
Someya och hans medarbetare har lyckats göra en organisk transistor som förblir oförsämrad efter att ha värmts upp till 150 °C 2004. en tjock organisk polymer som användes som en isolatorfilm gjorde att drivspänningen blev mycket hög, och det var anledningen till att den inte passade för bio/medicinsk användning. Teamet hade försökt bygga några nm organiska/oorganiska material på en plastfilm med hjälp av en molekylär självmontering, och de har äntligen bevisat genomförbarheten av värmebeständighet för SAM-film för första gången.
Under det senaste året, de uppfann en ny medicinsk elektronik som kallas "en intelligent kateter" med hjälp av flexibel organisk transistorteknik:den nya smala katetern är täckt med ett nätverk av trycksensorer (publicerad i Naturmaterial , Storbritannien 2010). Det var oundvikligt att utveckla en termostabil organisk transistor så att den nya katetern skulle användas praktiskt på sjukhusen. De övervann till slut barriären.
Organiska transistorer är mekaniskt flexibla och förväntas biokompatibla eftersom de är gjorda av mjuka organiska elektroniska material såsom organiska halvledare. Attraktiva tillämpningar som förväntas realiseras av flexibla biokompatibla organiska transistorer inkluderar "en bärbar elektronik" som läser ut bioinformation från utsidan av en hud, eller "en implanterbar elektronik" som direkt extraherar bioinformation genom att implantera elektroniken i en kropp. Verkligen, Someya och hans medarbetare kom också på att applicera den ultraflexibla organiska elektroniken för att täcka en smal kateter. Detta öppnar en ny väg till utvecklingen av en tunnfilmssensor som upptäcker tumörer, inflammationer, tidiga cancerformer. Uppfinningen kommer säkerligen att bredda användningen av de organiska transistorerna som medicinska anordningar. Eftersom en flexibilitet, en stor täckning, och en elektrisk stabilitet är oumbärlig för implementering av dessa medicinska anordningar, föreliggande uppfinning kommer att fungera som kärnteknologin vid utveckling av framtida medicinska anordningar.
Fram till denna punkt, displayer och solceller har ansetts vara de viktigaste drivtillämpningarna för organiska enheter. Organiska EL-displayer och organiska flexibla solceller implementeras snabbt. Dock, de är bara en glimt av stora potentialer som organiska enheter besitter. Verkligen, världens forskare tävlar i att utveckla hälso- och medicinska applikationer som använder mjukheten hos organiska apparater. Teamet har lett området för flexibla enheter genom att uppnå världens minsta minsta böjradie (100 µm). Med den genomförbarhet som visas med dessa steriliserbara, flexibla organiska transistorer, bidraget kommer att påskynda forskningen om medicinska tillämpningar.
Tidningen kommer att publiceras online kl Naturkommunikation (Storbritannien) den 6 mars, 2012 (GMT)
