隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，人們的物質(zhì)生活和精神生活都得到了極大的豐富。然而，由于電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，電子垃圾增加的速度不容小覷，這將對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不利的影響。面對(duì)這一棘手的問題，瞬態(tài)電子器件為消除環(huán)境中日益嚴(yán)重的“電子污染"問題提供了一種清潔無污染的途徑。因此，被認(rèn)為是構(gòu)筑可持續(xù)未來所需的下一代電子器件的候選者。在這類器件中，由于可降解有機(jī)薄膜晶體管(OTFTs)在顯示驅(qū)動(dòng)器、智能卡和射頻識(shí)別標(biāo)簽等方面的潛在應(yīng)用，已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。現(xiàn)有的報(bào)道已對(duì)可降解電極、可降解半導(dǎo)體、可降解介電材料和可降解襯底進(jìn)行了大量的研究；然而，目前所報(bào)道的可降解器件沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，這極大地阻礙了它們?cè)谟袡C(jī)神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器（ONeuVS）等光電器件中的進(jìn)一步應(yīng)用。

日前，天津大學(xué)胡文平-紀(jì)德洋教授團(tuán)隊(duì)及其合作者，使用一種環(huán)境友好的可降解聚碳酸脂材料作為介電層，用以構(gòu)筑高光電性能的可降解ONeuVSs。通過研究發(fā)現(xiàn)，器件的遷移率為2.74 cm2 V-1 s-1和電流開關(guān)比大于109。此外，還獲得了優(yōu)異的光學(xué)性能，光敏度（Pmax）為8.7 × 108和探測(cè)率（D*max）為9.42 × 1016 Jones，是瞬態(tài)電子器件中的值。此外，ONeuVS陣列還可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像識(shí)別和高通濾波功能。在完成功能性應(yīng)用后，器件被可控地降解于酸性或者堿性環(huán)境，且不會(huì)造成二次污染。這不僅對(duì)平衡器件穩(wěn)定性和環(huán)境友好降解做出了貢獻(xiàn)，還為優(yōu)化器件性能提供了新的見解，以促進(jìn)更實(shí)用的瞬態(tài)電子學(xué)的發(fā)展。

【聚碳酸酯材料】

聚碳酸酯可以通過二氧化碳和環(huán)氧化物的共聚合成，這一合成過程可以有效地利用溫室氣體，從而實(shí)現(xiàn)碳中和。通常，對(duì)二氧化碳基聚碳酸酯的生命周期評(píng)估表明，在聚醚碳酸酯中加入20%的二氧化碳可以減少11%-19%的溫室氣體排放，減少13%-16%的化石資源消耗。因此，它被認(rèn)為是一種前景的可降解聚合物材料。在這項(xiàng)研究中，以CO2和環(huán)氧環(huán)己烯為原料，采用一步法合成了一種可降解的聚合物材料聚碳酸環(huán)己烯酯（PCHC）作為介電層。熱重分析(TGA)表明，PCHC具有良好的熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步，通過旋涂法制備的PCHC薄膜具有光滑的表面，其均方根（RMS）粗糙度為0.37 nm。而且，其在可見光區(qū)具有優(yōu)異的透明度。此外，采用Si/PCHC/Ag夾層結(jié)構(gòu)確定了PCHC薄膜在不同頻率下的電容和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（小于178 MV/m）。上述結(jié)果表明，PCHC聚合物材料作為柵極絕緣體是構(gòu)建下一代可降解OTFT的理想材料。

【可降解的有機(jī)光電晶體管】

為了研究不同分子量的聚合物介電材料對(duì)OTFTs電學(xué)性能的影響，分別使用分子量為9.7 kDa，12.1 kDa和26.3 kDa的PCHC介電材料構(gòu)筑了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的OTFT（C10-DNTT作為有機(jī)層）。結(jié)果表明，基于分子量為12.1 kDa的PCHC介電材料所構(gòu)筑的OTFT表現(xiàn)出2.74 cm2 V-1 s-1的高遷移率和高于109的電流開關(guān)比。此外，性能器件在大氣環(huán)境中放置8個(gè)月后，在5700次連續(xù)重復(fù)開關(guān)操作下仍能表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。建立在優(yōu)異的電學(xué)性能基礎(chǔ)之上，探究了該器件的光學(xué)性能。通過光學(xué)性能參數(shù)評(píng)估，該器件在報(bào)道的可降解光電器件中顯示出值。

可降解的光電晶體管：A. OTFT陣列示意圖；B. PCHC聚合物介電材料(分子量為12.1 kDa)在不同頻率下的電容；C. ITO、ITO/C10-DNTT和ITO/PCHC(分子量分別為 9.7 kDa、12.1 kDa和26.3 kDa)/C10-DNTT的XRD譜圖；D-F. C10-DNTT在分子量分別為12.1 kDa、9.7 kDa和26.3 kDa的PCHC介電層上生長(zhǎng)的AFM圖像；G. 器件遷移率分布圖；H. 我們工作中的遷移率與已報(bào)道的可降解OTFT的比較；L. ITO/PCHC(分子量為12.1 kDa)/C10-DNTT/Au結(jié)構(gòu)的OTFT在空氣中放置8個(gè)月后的穩(wěn)定性；J. 不同光照強(qiáng)度下的P值。

【可降解的神經(jīng)視覺傳感器】

可降解光子突觸晶體管具有低延遲、快速響應(yīng)和高寬帶等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為有望解決馮·諾伊曼瓶頸。在這項(xiàng)工作中，我們構(gòu)筑了視網(wǎng)膜激發(fā)的可降解ONeuVSs，并模擬了人工視覺系統(tǒng)檢測(cè)光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。這些信號(hào)由視神經(jīng)通過突觸傳遞到大腦。在光刺激下，興奮性神經(jīng)遞質(zhì)從突觸前膜釋放到突觸后膜，形成興奮性突觸后電流(EPSC)。通過調(diào)控不同的光照強(qiáng)度，光照時(shí)間和光脈沖的刺激個(gè)數(shù)，該器件成功模擬了突觸可塑性。此外，該器件還具有靜態(tài)識(shí)別功能和高通濾波特性。這為開發(fā)具有低功耗、多功能性的瞬態(tài)電子器件提供了新的思路與見解。

【基于PCHC薄膜的降解機(jī)理】

可降解電子器件在實(shí)現(xiàn)自身功能應(yīng)用后可分解成微小的結(jié)構(gòu)碎片，被認(rèn)為是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康的有效途徑。在本研究中，由于器件的一些成分在堿性或者酸性溶液中被分解，包括(PVA)、鋁(Al)和PCHC，因此，使用化學(xué)降解來分解電子器件。采用水溶性材料PVA作為襯底，Al電極作為柵極。金被用作源電極和漏電極，這些電極可以被回收再利用，不會(huì)造成任何環(huán)境污染。在降解過程中，PCHC薄膜在堿性溶液中通過親核加成反應(yīng)，最終被分解為CO 2和環(huán)己二醇。在PCHC中，氫氧根離子(OH ?)攻擊酯基中的羰基，這些羰基發(fā)生親核加成反應(yīng)形成四面體中間體。隨后，消除過程產(chǎn)生碳酸鹽和烷氧基化合物。碳酸鹽基團(tuán)在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，容易分解成醇氧化合物并釋放CO 2。最后，烷氧基化合物從水中提取質(zhì)子得到環(huán)己二醇。此外，基于PCHC介電材料的柔性陣列也可以在鹽酸溶液(pH 5)中降解。在這一降解過程中，水分子攻擊質(zhì)子化的酯基，通過親核加成反應(yīng)形成正電荷的四面體中間體。質(zhì)子轉(zhuǎn)移后，中間產(chǎn)物被消除，生成碳酸鹽和醇氧化合物。不穩(wěn)定的碳酸鹽基團(tuán)很容易分解成醇氧化合物，同時(shí)釋放CO 2。因此，降解過程證實(shí)了基于聚碳酸酯介電材料具有環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)：本工作開發(fā)了一種新型的可降解PCHC介電材料，并將其應(yīng)用于光電晶體管和突觸晶體管。在器件完成功能性應(yīng)用后，被可控地降解于環(huán)境中，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。這項(xiàng)工作為瞬態(tài)電子學(xué)發(fā)展多功能應(yīng)用提供了思路。

來源：傳感器專家網(wǎng)