Verdens første steriliserbare fleksible organiske transistor

Det er lykkedes et internationalt forskerhold at fremstille verdens første fleksible organiske transistor på en polymerfilm, der er robust nok under høj temperatur medicinsk steriliseringsproces. Undersøgelsen skal offentliggøres online i Naturkommunikation den 6. marts, 2012.

I et alvorligt aldrende samfund med en faldende fødselsrate, elektronik øger deres betydning på sundheds- og medicinområdet, efterhånden som flere it -enheder introduceres. På denne baggrund, en forventning bliver højere på en organisk transistor, som er en blød elektronisk switch. En fleksibel organisk transistor kan let fremstilles på en biokompatibel polymerfilm, og dette er grunden til, at det forventes at tage det til en bærbar sundhedsmonitor uden stress, og/eller implanterbare enheder, f.eks. en soft tempo maker. Til praktisk implementering, det er afgørende (1) at udnytte dets blødhed og biokompatibilitet bedst muligt, samtidigt (2) for at reducere kørselsspændingen til et par V, og (3) at reducere risikoen for infektioner ved sterilisering, af en sikkerhedsmæssig årsag. Indtil nu, imidlertid, de eksisterende organiske transistorer havde enorme forhindringer mod den praktiske anvendelse inden for sundhed og medicin. For eksempel, typisk drivspænding for displays er høj (dvs. 20 til 80 V) og/eller og den er ikke holdbar ved sterilisering ved høj temperatur.

Det er lykkedes teamet at fremstille en organisk transistor på en polymerfilm, der har høj termisk stabilitet og drivspænding på 2V på samme tid. Den nye type organiske transistor kan steriliseres i en standard steriliseringsproces (150 ° C varmebehandling) uden at blive forringet i sine elektriske ydelser. Nøglen til at realisere varmebestandig organisk transistor er i formningsteknikken til en ultratynd isolatorfilm:Teamet udvikler en teknik til at danne ekstraordinært tæt pakket selvsamlede monolagsfilm (SAM), hvis tykkelse er så lille som 2 nanometer, på en polymerfilm. Dette giver dem mulighed for at hæve substrattemperaturen op til 150 ° C uden at skabe huller gennem SAM -film under høj temperaturbehandlingen. Det menes, at ultratynd enkeltlagsfilm som SAM let nedbrydes ved termiske processer; imidlertid, det er uventet påvist, at tæt pakket SAM er stabil ved 150 ° C eller højere. Dette resultat bevises også ved systematisk karakterisering af krystallografiske strukturer af SAM ved hjælp af en synkrotronstrålingsstråle. Desuden, ved at indføre et nyt indkapslingslag omfattende organiske/metalkompositmaterialer og ekstremt termisk stabile og organiske halvledere med høj mobilitet, den termiske stabilitet af organiske transistorer er nu forbedret op til 150 ° C.

Det burde have større gavn af at anvende denne varmebestandige organiske transistor på lang sigt, implanterbare enheder, eller til nogle medicinske anordninger såsom et smart kateter. Med disse applikationer, det forventes at udvide brugen af ​​transistoren til medicinske apparater såsom tyndfilmsensor, der vil detektere tumorer, betændelser, og eller kræft.

Det internationale team ledes af Dr. Takao Someya, som er professor ved University of Tokyo (formand:Jyunichi Hamada, Ph.d.), en forskningsdirektør for ERATO (Exploratory Research for Advanced Technology) "Someya Bio-Harmonized Electronics Project" fra Japan Science and Technology Agency (JST, Præsident:Michiharu Nnakamura, D.Sc.), og en global forsker ved Princeton University (formand:Shirley M. Tilghman, Ph.d.), i samarbejde med lektor Tsuyoshi Sekitani fra University of Tokyo og professor Yueh-Lin (Lynn) Loo fra Princeton University. Dette fælles forskningsprojekt blev også gennemført med følgende institutioner:Max Planck Institute for Solid State Research, Tyskland, National Institute of Standards and Technology, NIST, OS., Hiroshima Universitet, og Nippon Kayaku Co., Japan.

Som følge af en alvorlig faldende fødselsrate og en stigende andel af ældre, informationsteknologi (IT) -enheder introduceres hurtigt på sundheds- og medicinområdet. Et af de gode eksempler er internetforbindelsen til et sundhedsapparat mellem en patients hjem og et hospital. Internettet tillod en læge at overvåge tålmodighedens puls og vægte væk fra hans/hendes hjem. Miniaturiseringen af ​​medicinske apparater såsom endoskoper lykkedes at minimere patienters byrder og/eller invasivitet. På denne måde, inden for det medicinske og sundhedsmæssige område, elektronik øger deres betydning. Ja, på sundheds- og medicinmarkedet, elektronik forventes at vokse 120% hvert år successivt frem til 2015.

I denne baggrund, en organisk transistor, som er en fleksibel elektronisk switch, tiltrækker megen opmærksomhed, fordi den let fremstilles på en biokompatibel polymerfilm. En biokompatibel organisk transistor ville være egnet til applikationer på et stressfrit bærbart sundhedsovervågningssystem og implanterbare enheder, såsom en blød pacemaker. Til praktisk implementering, det er afgørende (1) at udnytte dets blødhed og biokompatibilitet bedst muligt, samtidigt (2) for at reducere kørselsspændingen til et par V, og (3) at reducere risikoen for infektioner ved sterilisering, af en sikkerhedsmæssig årsag. Indtil nu, imidlertid, de eksisterende organiske transistorer havde enorme forhindringer mod den praktiske anvendelse inden for sundhed og medicin. For eksempel, typisk drivspænding for displays er høj (dvs. 20 til 80 V) og/eller og den er ikke holdbar ved sterilisering ved høj temperatur.

Det er lykkedes teamet at fremstille en organisk transistor på en polymerfilm, der har verdens første 150 ° C termostabilitet og samtidig sin drivspænding på 2V. Nøglerne til at realisere den varmebestandige organiske transistor er (1) selvmonteret enkeltlag (SAM) og (2) en tætningsfilm, som skal diskuteres senere. Den meget termiske stabilitet, som vi havde indset, eksploderede den typiske teori om, at en ultratynd enkeltlagsfilm med nanometer i størrelse let blev påvirket af varme. Dette resultat blev også bevist ved den systematiske analyse af præcise krystallografiske karakteriseringer ved hjælp af en synkrotronstrålingsstråle, som vil blive beskrevet i (3) i detaljer. Desuden, den organiske transistor er med succes blevet steriliseret under en standard steriliseringsproces (150 ° C varmebehandling) uden at blive forringet elektrisk. Dette vil blive diskuteret i (4).

(1) Meget termostabil selvmonteret monolag (SAM) gateisolator

En nøgleteknologi til udvikling af steriliserbar organisk transistor er den 2 nm tykke ultratynde selvmonterede enkeltlagsfilm (SAM). At reducere en tykkelse af en gateisolatorfilm er kendt som den effektive måde at reducere drivspændingen af ​​en organisk transistor. Af sikkerhedsmæssige årsager, det er nødvendigt at tynde en gateisolatorfilm ned til et par nanometers tykkelse for at reducere drivspændingen til 2V. Holdet har tidligere brugt SAM -film til en portisolator. De forsøgte at optimere fremstillingsprocessen for SAM ud fra varmebestandighed. Som resultat, ved væsentligt at forbedre krystallinsk ordning af tætpakkede SAM -film på en polymerfilm, det lykkes dem at danne en isolatorfilm, der ikke skaber huller, årsagen til en lækstrøm, selv under en høj varmebehandling. Dette bliver muligt ved at optimere plasmatilstanden under formningsprocessen af ​​tyndfilm af aluminiumoxid oven på polymerfilmen, hvilket resulterer i en måde at undgå, at filmen beskadiges under en plasmaproces.

(2) Et indkapslingslag omfattende organiske og metalkompositfilm

En forbedring af termisk stabilitet af en SAM -gateisolator er ikke nok til at opnå den høje termiske stabilitet af en organisk transistor. Normalt, organiske halvledere, der sammensætter kanallaget i organisk transistor, vides let at blive nedbrudt af varme. Derved, en organisk halvleder, som er omhyggeligt valgt blandt varmebestandige materialer, er dinaphtho-thieno-thiophen (DNTT) i forsøget. Desuden, efter fremstilling af en organisk transistor, transistoren er fuldstændig dækket af en fleksibel, varmebestandigt indkapslingslag omfattende organiske og metalkompositfilm (figur 2). Indkapslingslaget forhindrer DNTT i at sublime med varme, og det forhindrer elementer i at blive væsentligt forringet. I øvrigt, det er demonstreret, at elektronisk karakteristik af organisk transistor forbliver praktisk talt uændret, selv efter at det er dyppet i det kogende vand.

(3) Strukturel karakterisering af nanometertykke film ved synkrotronstrålingsstråler

De krystallografiske strukturer af SAM -film undersøges. For at være præcis, portisolatorfilmen, der blev brugt i forsøget, består af to lag, nemlig, 4-nm-tykt aluminiumoxid og 2-nm-tykt selvmonteret enkeltlag. Aluminiumoxids termiske modstandsdygtighed har længe været kendt; imidlertid, der ikke er offentliggjort en rapport om en strukturanalyse af SAM -film, ej heller en rapport for at bevise strukturel stabilitet af SAM -film indlejret i enhederne ved høj temperatur. Dette er på grund af vanskeligheden ved at analysere strukturen af ​​en så tynd SAM-film med enkelt molekylær lagtykkelse ved hjælp af røntgenanalyse.

Teamet forsøgte præcist at karakterisere krystallografiske strukturer af en SAM -film for at evaluere varmebestandigheden af ​​en organisk transistor. Bemærk, at tykkelsen af ​​en SAM -film er så lille som 2 nanometer. Ved at bruge en synkrotronstrålingsstråle, det er bevist, for allerførste gang, så vidt vi ved, at krystallografisk struktur af en SAM -film udviser enhver forringelse i molekylær rækkefølge selv ved 150 ° C eller højere temperatur. Dette resultat væltede uventet, hvad man havde troet, at en ultratynd ensfarvet film på få nanometer tyndhed let skulle nedbrydes ved varme.

Analysen blev udført sammen med professor Yueh-Lin (Lynn) Loo fra Princeton University og en gruppe ved NIST, og en synkrotronstrålingsstråle ved Brookhaven National Laboratory anvendes.

(4) Oprettelse af medicinsk fleksibel elektronik

De høje termostabile organiske transistorer kan steriliseres uden elektrisk forringelse. Teamet evaluerede elementernes varmebestandighed for tre forskellige standardiserede varmesteriliseringsprocesser, der i vid udstrækning bruges til at sterilisere medicinske apparater:de er (1) en varmebehandling ved en temperatur på 150 ° C i 20 sekunder ved atmosfærisk tryk, (2) en varmebehandling ved 2 atmosfæriske tryk, 121 ° C i 20 sekunder, og (3) en sterilisering ved kogning.

Først, den fremstillede organiske transistors termiske stabilitet forbedres ved glødningsproces ved 160 ° C, som er lidt høj end den typiske udglødningstemperatur for sterilisering. Sekund, bakterier dyrkes på den ovennævnte transistor. Endelig, antallet af bakterier og de elektriske egenskaber måles før og efter den medicinske steriliseringsproces. Som resultat, næsten alle bakterier døde efter steriliseringen; imidlertid, transistorens elektriske egenskaber er praktisk talt uændrede (et ubetydeligt niveau).

I modsætning til de konventionelle uorganiske materialer, organiske transistorer er i stand til at lave lette og mekanisk fleksible elektroniske enheder, da de kan bygges på polymerfilm ved behandling ved lav temperatur. Organiske transistorer kan også fremstilles ved trykproces:Dette tillod en drastisk omkostningsreduktion ved fremstilling af transistorer med store arealer, sammenlignet med dem, der er fremstillet med silicium. En af de største drivprogrammer for organiske transistorer er e-papir. Indtil nu, Someya og hans kolleger har intensivt undersøgt anvendelsen af ​​organiske transistorer på sensorer i store områder eller aktuatorer med stort område. Teamet har vist muligheden for at implementere organiske transistorer til elektronik i store områder. En række af deres præstationer omfatter en robot e-skin (2003), en arktypescanner (2004), et ultratyndt punktskriftsskærm (2005), et trådløst kraftoverførselsark (2006), et kommunikationsark (2007), et ultralydsark (2008), en flash -hukommelse (2009).

For nylig, organiske transistorer længes efter at blive implementeret på medicinsk og sundhedsudstyr på grund af deres biokompatibilitet. Imidlertid, det er uundværligt, at disse enheder steriliseres. Derfor, det har været påkrævet, at de organiske kredsløb, der er bygget på plastfilm, skal være stabile gennem varmebehandling, og at de drives med lav spænding.

Det er lykkedes Someya og hans kolleger at lave en organisk transistor, der forbliver uforringet efter opvarmning til 150 ° C i 2004. Selvom, en tyk organisk polymer, der blev brugt som isolatorfilm, fik drivspændingen til at være meget høj, og det var grunden til, at det ikke passede til bio/medicinsk brug. Teamet havde forsøgt at bygge et par nm organiske/uorganiske materialer på en plastfilm ved hjælp af en molekylær selvsamling, og de har endelig bevist muligheden for varmebestandighed af SAM -film for første gang.

I det sidste år, de opfandt en ny medicinsk elektronik kaldet "et intelligent kateter" ved hjælp af fleksibel organisk transistorteknik:det nye smalle kateter er dækket af et tryksensornetværk (udgivet i Naturmaterialer , Storbritannien i 2010). Det var uundgåeligt at udvikle en termostabil organisk transistor, så det nye kateter kunne bruges praktisk på hospitalerne. Endelig overvandt de barrieren.

Organiske transistorer er mekanisk fleksible og forventes biokompatible, da de er lavet af bløde organiske elektroniske materialer, såsom organiske halvledere. Attraktive applikationer, der forventes realiseret af fleksible biokompatible organiske transistorer, omfatter "en bærbar elektronik", der læser bioinformation udefra på en hud, eller "en implanterbar elektronik", der direkte udtrækker bioinformation ved at implantere elektronikken i en krop. Ja, Someya og hans kollega kom også med at anvende den ultrafleksible organiske elektronik til at dække et smalt kateter. Dette åbner en ny vej til udviklingen af ​​en tyndfilmsensor, der registrerer tumorer, betændelser, tidlige kræftformer. Opfindelsen vil helt sikkert udvide brugen af ​​de organiske transistorer som medicinsk udstyr. Siden en fleksibilitet, en stor dækning, og en elektrisk stabilitet er uundværlig for implementering af disse medicinske anordninger, den foreliggende opfindelse vil tjene som kerneteknologi ved udvikling af fremtidens medicinske anordninger.

Indtil dette punkt, displays og solceller er blevet betragtet som hoveddrivende applikationer for organiske enheder. Organiske EL -displays og organiske fleksible solceller implementeres hurtigt. Imidlertid, de er kun et glimt af enorme potentialer, som organiske enheder besidder. Ja, verdens forskere konkurrerer om at udvikle sundheds- og medicinske applikationer ved hjælp af blødhed af organiske enheder. Teamet har ført inden for fleksible enheder ved at opnå verdens mindste mindste bøjningsradius (100 µm). Med gennemførligheden vist med disse steriliserbare, fleksible organiske transistorer, bidraget vil fremskynde forskningen om de medicinske anvendelser.

Avisen vil blive offentliggjort online i Naturkommunikation (Storbritannien) den 6. marts, 2012 (GMT)