Monipuolisia orgaanisia transistoreita

Ludwig-Maximilians Universität Münchenin (LMU) fyysikot ovat kehittäneet orgaanisen transistorin, joka toimii sekä matalien että korkeiden virtojen alueella.

Orgaaniset puolijohteet eivät ole pysyneet epäorgaanisten transistoreiden mitoituksien mukana. Myös niiden suorituskyky varaustenkantajien liikkuvuuden osalta on huomattavasti heikompi.

Mutta orgaaniset rakenteet voidaan puolestaan valmistaa helposti teollisessa mittakaavassa, materiaalikustannukset ovat pienemmät ja ne voidaan levittää läpinäkyvästi joustaville pinnoille.

Prof. Thomas Weitz (NIM) ja hänen tiiminsä ovat nyt kehittäneet orgaaniseen puolijohteeseen perustuvan nanoskooppisen transistorin, joka toimii täydellisesti sekä matalien että korkeiden virtojen alueella.

Uusimmassa tutkimusjulkaisussaan tiimi kuvaa epätavallisen rakenteen omaavia transistoreita, jotka ovat pieniä, tehokkaita ja ennen kaikkea monipuolisia.

Räätälöimällä huolellisesti muutamia parametreja valmistusprosessin aikana he ovat kyenneet suunnittelemaan nanomittakaavaisia rakenteita suurille tai pienille virtatiheyksille.

”Suuret virrantiheydet ovat ratkaisevan tärkeitä erittäin integroidun elektroniikan toteuttamisessa”, Thomas Weitz kertoo: ”Neuronisissa verkoissa ja kädessä pidettävissä laitteissa pieni tehonkäyttö on puolestaan kriittistä.”

Saavutuksen avain on yhdistelmä transistorin epätyypillisestä geometriaa ja erityistä porttimateriaalia, joka toimii on-off-kytkimenä. Yleensä transistoreissa on tasomainen rakenne mutta uudenlaisen pystysuoran rakenteen sisällä elektrodit ovat raitojen muotoisia ja ylittävät toisiaan.

Transistoria ohjaa ns. elektrolyyttiportitus. Koko transistoria ympäröi elektrolyyttiliuos ja käytetyn jännitteen funktiona ionit siirtyvät tai poistuvat puolijohdemateriaalissa, mikä kytkee transistorin päälle ja pois.

Uusi arkkitehtuuri antaa fyysikoille mahdollisuuden vaikuttaa sähköisiin ominaisuuksiin muuttamalla erilaisia parametreja. Näitä ovat elektrodin leveys, puolijohdemateriaalin paksuus ja elektrodien välinen etäisyys. Lisäksi transistorin toiminnallisuus ei riipu elektrodista tai puolijohdemateriaalista. Eri puolijohteiden käyttö johtaa samaan suorituskykyyn.

Sen lisäksi on helpompaa valmistaa tällaisia nanoskooppisia elementtejä levittämällä materiaalia pystysuunnassa hyvin ohuiksi kerroksiksi sen sijaan, että ne asetettaisiin täsmälleen vierekkäin.

Uusien piirien mahdollisiin sovellusalueisiin kuuluvat OLEDit ja anturit, joissa tarvitaan pieniä jännitteitä, suuria ON-tilan virrantiheyksiä tai suuria transkoduktansseja.

Erityisen kiinnostava on niiden mahdollinen käyttö ns. memristiivisinä elementteinä. Memristoreja voidaan ajatella keinotekoisina neuroneina, koska niitä voidaan käyttää neuronien käyttäytymisen mallintamiseen sähköisien signaalien avulla”, Weitz kertoo.

Tutkijat ovat jo toimittaneet laitteelle patenttihakemuksen, jotta he voivat kehittää uutta transistoriarkkitehtuuria teolliseen käyttöön.

Aiheesta aiemmin

Ionisia transistoreita bioelektroniikalle

Nanorakenteinen porttieriste orgaanisille ohutkalvotransistoreille