"Органические полупроводники обладают рядом явных преимуществ по сравнению с обычными полупроводниковыми устройствами на основе кремния: они изготавливаются из широко доступных элементов, таких как углерод, водород и азот; они обладают механической гибкостью и низкой стоимостью изготовления; и их можно легко изготавливать в больших масштабах", - отмечает инженерный профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Йон Визелл, часть группы исследователей, работающих с новыми материалами. "Возможно, что еще более важно, сами полимеры могут быть изготовлены с использованием широкого спектра химических методов, чтобы придать полученным полупроводниковым устройствам интересные оптические и электрические свойства. Эти свойства могут быть спроектированы, настроены или выбраны гораздо большим количеством способов, чем неорганические (например, на основе кремния) транзисторы."

Гибкость дизайна, которую описывает Визелл, иллюстрируется возможностью перенастройки устройств, о которой сообщают исследователи UCSB и другие в журнале Передовые материалы.

Реконфигурируемые логические схемы представляют особый интерес в качестве кандидатов для пост-КМОП-электроники, поскольку они позволяют упростить конструкцию схемы при одновременном повышении энергоэффективности. Было показано, что один недавно разработанный класс транзисторов на основе углерода (в отличие, скажем, от кремния или нитрида галлия), называемых органическими электрохимическими транзисторами (OECTs), хорошо подходит для реконфигурируемой электроники.

В недавней статье, Профессор химии Тук-Куен Нгуен, который возглавляет Центр полимеров и органических твердых веществ UCSB, и соавторы, включая Визелла, описывают прорывной материал - мягкий полупроводящий полимер на основе углерода, который может обеспечить уникальные преимущества по сравнению с неорганическими полупроводниками, которые в настоящее время используются в обычных кремниевых транзисторах.

"Реконфигурируемые устройства органической логики являются многообещающими кандидатами для следующих поколений эффективных вычислительных систем и адаптивной электроники", - пишут исследователи. "В идеале такие устройства должны иметь простую структуру и дизайн, [а также] энергоэффективные и совместимые с высокопроизводительными технологиями микропроизводства".

Сопряжение для определения проводимости

Сопряженный полиэлектролит, или CPE-K, состоит из центрального сопряженного остова с чередующимися одинарными и двойными связями и множеством заряженных боковых цепей с присоединенными ионами. "Наличие сопряженных связей по всему полимеру делает его проводящим, потому что делокализованные электроны обладают высокой подвижностью по всей длине полимера", - объясняет ведущий автор Тун Нгуен-Данг, постдокторский исследователь в лаборатории Нгуена, которого консультирует Визелл. "В этом молекулярном дизайне вы сочетаете два классических материала, полимер и полупроводник".

Искусственный интеллект (ИИ) сыграл определенную роль в разработке материала. "Вы можете создавать материал методом проб и ошибок", - говорит Нгуен. "Вы можете сделать целую кучу из них и надеяться на лучшее, и, возможно, один из двадцати работает или обладает интересными свойствами; однако мы работали с профессором Калифорнийского университета в Нортридже Ганг Лу, который использовал искусственный интеллект для выбора строительных блоков и выполнения вычислений, чтобы получить приблизительное представление о том, как действуйте, учитывая уровень энергии и свойства, к которым мы стремились".

Выяснение возможности реконфигурирования

Одним из ключевых преимуществ CPE-K является то, что он позволяет реконфигурировать ("двухрежимные") логические элементы, что означает, что их можно переключать "на лету" для работы либо в режиме истощения, либо в режиме накопления, просто регулируя напряжение на элементе. В режиме истощения ток, протекающий через активный материал между стоком и источником, изначально высок, прежде чем подать какое-либо напряжение на затвор (также известное как включенное состояние). При подаче напряжения на затвор ток падает, и транзистор переводится в выключенное состояние. Режим накопления противоположен - без напряжения на затворе транзистор находится в выключенном положении, а применение напряжения на затворе приводит к увеличению тока, переключая устройство во включенное состояние.

"Обычные электронные логические элементы, которые являются строительными блоками для всех цифровых схем, используемых в компьютерах или смартфонах, - это аппаратные средства, которые выполняют только ту работу, для которой они предназначены", - говорит Нгуен. "Например, элемент AND имеет два входа и один выход, и если все входные данные, примененные к нему, равны 1, то выход будет равен 1. Аналогично, элемент NOR также имеет два входа и один выход, но если все входы, примененные к нему, равны 1, то выход будет равен 0. Электронные вентили реализуются с использованием транзисторов, и их перенастройка (например, переход с элемента И на элемент NOR) требует инвазивной модификации, такой как демонтаж, который обычно слишком сложен, чтобы быть практичным.

"Реконфигурируемые вентили, подобные тому, который мы показываем, могут вести себя как логические вентили обоих типов, переключаясь с И на NOR и наоборот, изменяя только напряжение затвора", - продолжает она. "В настоящее время в электронике функциональность определяется структурой, но в нашем устройстве вы можете изменить поведение и сделать его чем-то другим, просто изменив подаваемое на него напряжение. Если мы расширим это изобретение от одного вентиля до гораздо более сложных схем, состоящих из множества таких реконфигурируемых вентилей, мы сможем представить себе мощное аппаратное обеспечение, которое может быть запрограммировано с гораздо большим количеством функциональных возможностей, чем обычные устройства с тем же количеством транзисторов ".

Еще одно преимущество устройств на основе CPE-K: они могут работать при очень низких напряжениях, что делает их пригодными для использования в персональной электронике. Это, в сочетании с его гибкостью и биосовместимостью, делает материал вероятным кандидатом для имплантируемых биосенсоров, носимых устройств и нейроморфных вычислительных систем, в которых OECT могут служить искусственными синапсами или энергонезависимой памятью.

"Наш коллега создает устройства, которые могут отслеживать падение уровня глюкозы в мозге, которое происходит непосредственно перед приступом", - объясняет Нгуен о сотруднике Кембриджского университета в Англии. "И после обнаружения другое устройство - микрофлюидное устройство - доставит лекарство локально, чтобы остановить процесс до того, как это произойдет".

По словам Нгуена, устройства, изготовленные из CPE-K, имеют одновременное легирование и де-легирование в зависимости от типа ионов. "Вы делаете устройство и помещаете его в жидкий электролит - хлорид натрия [то есть поваренную соль], растворенный в воде", - говорит она. "Затем вы можете заставить натрий мигрировать в активный слой CPE-K, подав положительное напряжение на затвор. В качестве альтернативы вы можете изменить полярность напряжения затвора и заставить хлорид мигрировать в активный слой. Каждый сценарий приводит к различному типу инжекции ионов, и именно эти разные ионы позволяют нам изменять режимы работы устройства".

Самолегирование также упрощает производственный процесс, устраняя дополнительный этап добавления легирующих добавок. "Часто, когда вы добавляете легирующую добавку, она неравномерно распределяется по объему материала", - говорит Нгуен. "Органические легирующие материалы имеют тенденцию группироваться вместе, а не рассеиваться. Но поскольку наш материал не нуждается в этом шаге, вы не столкнетесь с проблемой неравномерного распределения легирующей примеси. Вы также избегаете всего процесса оптимизации присадки и определения правильной смеси и пропорций, что увеличивает количество этапов и усложняет обработку".

Команда также разработала физическую модель для устройства, которая объясняет его рабочий механизм и правильно предсказывает его поведение в обоих режимах работы, демонстрируя таким образом, что устройство делает то, что, по-видимому, делает.

Визелл заключает: "Эта замечательная новая транзисторная технология идеально иллюстрирует удивительные электронные и вычислительные функциональные возможности, которые становятся возможными благодаря конвергентным исследованиям в области химии, физики, материалов и электротехники".