丙烯酰胺聚合物及其在水面上展开后的模式图
高分子纳米薄膜图与聚噻吩模式图
电化学晶体管的制作方法
据日经BP社2005年9月12日报道:由日本东北大学多元物质科学研究所教授宫下德治等人组成的研究小组,利用Langmuir-Blodgett(LB)法研制出了数十nm厚的导电高分子(polythiophene,聚噻吩)薄膜,并使用它设计并试制了驱动原理采用电化学氧化还原反应的晶体管。试制出的晶体管在1.2V电压下工作,导通截止比为2000。具有可印刷、可弯曲等特点,有望成为用于实现近年来因有可能从根本解决成本问题而受到业界关注的有机晶体管的候选材料之一。此项成果将在日本第54届高分子讨论会(2005年9月20日~22日,日本山形大学)上发表。
LB法就是指将具有亲水基(Hydrophilic Group)和疏水基(Hydrophobic Group)的分子(两性分子)铺在水面上,然后再移至底板上制作出排列整齐的分子。宫下教授此次使用了丙烯酰胺聚合物。作为亲水基的酰胺基(Amide Group)先铺在水面上,上面再排列着聚合物主链(Polymer Main Chain),而作为疏水基的丙烯基(Acryl Group)(碳元素数为12个)则垂直立于水面(图1)。分子厚度约为1~2nm。宫下等人称其为“高分子纳米薄膜”。
将这种丙烯酰胺聚合物和导电高分子聚噻吩溶于三氯甲烷(chloroform)溶液中,使其在水面展开。当三氯甲烷挥发后,即可形成聚噻吩分布于丙烯基之中的结构分子。对此,宫下描述说“就像是聚噻吩分布在固体人造黄油中一样”。将这种分子膜层叠10层,即可制成厚20nm的导电高分子纳米薄膜(图2)。
先在玻璃底板上形成作为源极和漏极的金属极,再在它的上面层叠经过调整的导电高分子纳米薄膜。接着再在它的上面撒上由有机溶剂组成的电解液,加上作为栅极的ITO即可形成电化学晶体管。
只要不向栅极施加电压,这种高分子纳米薄膜就是绝缘体(截止状态)。一旦向栅极加压,就会从聚噻吩中释放出电子,形成正电,从而就会便于共轭高分子中的电子发生移动。然后再由电解液提供掺杂物(PF6-),就会使电子产生流动(导通状态)。这就是可切换聚噻吩氧化与还原状态的电化学晶体管。在实验中目前已经得到了栅极电压为1.2V、导通截止比为2000的结果。
据该研究小组称,由于有电解液,因此今后准备首先对不是纯固体这一点进行改进。据称现已从原理上提出了没有电解液也可运行的晶体管。另据宫下表示,在材料方面目前仍处于基本的探讨阶段,今后希望利用近年来受到业界关注的可印刷、可弯曲的TFT(薄膜晶体管)等材料进行元件研究。
在有机电子领域,业界正在探讨使用低分子并五苯的可行性。与此相比,作为高分子来说,由于容易产生耐热性和耐用性,不需结晶工艺,因此操作方便,易形成可弯曲性,因此宫下强调指出高分子材料在有机电子领域中将会成为大有希望的材料。
对于LB法的量产性,相关设备和制作方法近来都取得了显著进步,该小组认为“只要电子业界能认真对待,肯定没问题”。由于此次的成果比十几年前曾流行一时但后来却销声匿迹的LB膜先进,因此宫下表示:“希望在报道中使用高分子纳米薄膜这个说法,而不要说成LB膜。” |