有機(jī)半導(dǎo)體材料的發(fā)展與應(yīng)用

0有機(jī)半導(dǎo)體材料與技術(shù)的發(fā)展概況隨著信息社會(huì)的不斷發(fā)展，單個(gè)功能材料和設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越難以滿足廣泛應(yīng)用的不同需求。因此，塑料、聚吡咯和其他具有半功能的有機(jī)材料已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，并已投入運(yùn)營(yíng)中。Si和GaAs等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料所占領(lǐng)的領(lǐng)域。有機(jī)半導(dǎo)體材料具有原料易得、廉價(jià)、重量輕、制備工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境穩(wěn)定性好以及可制作成大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)。而且這類(lèi)器件即使報(bào)廢了也可以回收再利用,非常符合當(dāng)前大力倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念。長(zhǎng)久以來(lái)人們普遍認(rèn)為有機(jī)物是不導(dǎo)電的,因此被廣泛用作絕緣材料,直到20世紀(jì)70年代,美國(guó)物理學(xué)家A.J.Heeger、化學(xué)家M.MacDiarmid和日本化學(xué)家H.Shirakawa共同發(fā)現(xiàn)對(duì)聚乙炔分子進(jìn)行摻雜可以使其變成良導(dǎo)體,從而拉開(kāi)了有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)研究的序幕,這三位科學(xué)家憑借該項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)成為2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。自上世紀(jì)80年代以來(lái),有機(jī)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域云集了眾多世界知名公司、大學(xué)與研究機(jī)構(gòu),如美國(guó)的IBM、柯達(dá)、通用顯示公司、固態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)室、普林斯頓大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)、日本索尼公司、NEC公司、豐田公司、韓國(guó)三星和LG以及印度科學(xué)院等,不斷開(kāi)發(fā)出能改善有機(jī)半導(dǎo)體特性和穩(wěn)定性的新材料和制造技術(shù),而新材料和新技術(shù)的應(yīng)用又極大地促進(jìn)了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)和有機(jī)光伏電池(OPC)以及有機(jī)傳感器等有機(jī)電子器件和有機(jī)光電子器件性能的提高。當(dāng)前有機(jī)半導(dǎo)體器件的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大,市場(chǎng)份額也在逐年增長(zhǎng)。在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的共同努力下,有機(jī)半導(dǎo)體材料與技術(shù)研究不斷取得新的進(jìn)展,這一領(lǐng)域已成為一個(gè)匯集了物理、化學(xué)與材料科學(xué)等學(xué)科的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域,工藝技術(shù)不斷取得新的突破,預(yù)示著有機(jī)半導(dǎo)體革命的到來(lái)。一些業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為,用有機(jī)半導(dǎo)體材料開(kāi)發(fā)出各種新型導(dǎo)電聚合物器件的研究正在改變著高技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。當(dāng)前,采用有機(jī)半導(dǎo)體已可制作各種類(lèi)型的有源器件和無(wú)源器件,如晶體管、二極管、OLED、傳感器、存儲(chǔ)器、顯示器、電池、電阻、電容、電感和天線等。本文將簡(jiǎn)要介紹幾種典型有機(jī)半導(dǎo)體器件的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。1對(duì)器件和場(chǎng)效應(yīng)晶體的應(yīng)用前景OFET是一種在溝道內(nèi)采用有機(jī)半導(dǎo)體材料的晶體管,是有機(jī)電子器件家族中一類(lèi)重要的器件,也是有機(jī)半導(dǎo)體的重要研究?jī)?nèi)容之一。目前,OFET的制作技術(shù)主要包括小分子真空蒸發(fā)、聚合物和小分子溶液鑄模或?qū)冸x的單晶有機(jī)層機(jī)械轉(zhuǎn)移至襯底上等方法。OFET由于在大面積、柔性化和低成本有源矩陣顯示、射頻標(biāo)簽等方面的潛在應(yīng)用前景而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。自1987年第一個(gè)OFET的成功研制至今,OFET技術(shù)發(fā)展迅速,無(wú)論是材料研究還是器件制備工藝都取得了較大的突破。由OFET驅(qū)動(dòng)的OLED發(fā)光和由OFET形成的邏輯電路以及有機(jī)發(fā)光場(chǎng)效應(yīng)晶體管、單晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件相繼研制成功。美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)及以色列等多個(gè)國(guó)家都在開(kāi)展這方面的研究。2007年底美國(guó)佐治亞理工大學(xué)采用C60薄膜利用室溫工藝制作出高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管,器件的電子遷移率高于非晶Si材料,且閾值電壓較低,開(kāi)-關(guān)比值較大,工作穩(wěn)定性也較高。2009年,日本東北大學(xué)的研究人員采用液相外延工藝成功生長(zhǎng)了近乎無(wú)缺陷的并五苯單晶,他們繼而采用該單晶制成一種OFET,其場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)0.4~0.6cm2/(V·s)。2010年1月法國(guó)CNRS和CEA的研究人員開(kāi)發(fā)出一種能夠模仿神經(jīng)元突觸主要功能的納米粒子有機(jī)存儲(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NOMFET),為新一代神經(jīng)激發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一條新思路。眾多研究結(jié)果表明,有機(jī)OFET有望成為新一代集成電子器件。2雙向電路提取能源當(dāng)前,太陽(yáng)電池已發(fā)展到第三代產(chǎn)品。第一代為Si基太陽(yáng)電池,采用單晶Si和多晶Si制成。第二代為化合物薄膜太陽(yáng)電池,采用的材料包括砷化鎵、銅銦鎵錫和碲化鎘等。第三代太陽(yáng)電池將采用新技術(shù)新概念,主要包括有機(jī)太陽(yáng)電池和染料敏化太陽(yáng)電池。作為第三代太陽(yáng)電池技術(shù)的代表,有機(jī)太陽(yáng)電池以生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、可降解和對(duì)環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。能源專(zhuān)家預(yù)計(jì),清潔廉價(jià)的有機(jī)太陽(yáng)電池,將使世界能源應(yīng)用方式發(fā)生革命性的改變。與第一、第二代太陽(yáng)電池相比,有機(jī)太陽(yáng)電池更輕、更薄,在同等體積展開(kāi)后的受光面積大大增加,因此將其應(yīng)用于通信衛(wèi)星可提高光電利用率。有機(jī)太陽(yáng)電池還以其輕薄柔軟易攜帶的特點(diǎn),成為微型電腦、數(shù)碼播放器和無(wú)線鼠標(biāo)等小型電子設(shè)備的電源。有機(jī)太陽(yáng)電池通常采用成熟的涂覆工藝如噴墨打印和旋涂法制作在塑料等大面積柔性襯底上。目前市場(chǎng)上已有一些太陽(yáng)電池產(chǎn)品,如英國(guó)G24i公司在2008年提供的GcellFlex有機(jī)太陽(yáng)電池,能為手機(jī)提供20min的通話時(shí)間,2008年的價(jià)格為20美元。公司投資1.2億美元在威爾士建造了一座工廠,主要瞄準(zhǔn)非洲和印度市場(chǎng)。近期,以視頻眼鏡和隨身影院為載體的頭戴式顯示器也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。用有機(jī)太陽(yáng)電池作電源為OLED屏幕供電,可以大大減輕重量。輕薄柔性是有機(jī)太陽(yáng)電池的最大優(yōu)點(diǎn),但其最大不足是效率低、壽命短。各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都在致力于這項(xiàng)研究,如美國(guó)的國(guó)家可回收能源實(shí)驗(yàn)室、太陽(yáng)能公司、麻省理工大學(xué)以及加拿大、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、荷蘭、法國(guó)和日本的許多大學(xué)與公司都在從事這項(xiàng)工作。最新報(bào)道結(jié)果顯示,有機(jī)太陽(yáng)電池效率已接近10%,工作壽命達(dá)5年以上。有機(jī)太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化自2005年開(kāi)始已經(jīng)持續(xù)了數(shù)年,隨著科學(xué)理論與制造工藝的進(jìn)步,產(chǎn)業(yè)化的突破已現(xiàn)曙光。3高端視頻采集系統(tǒng)：屏OLED技術(shù)可能是有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展最成熟的器件平臺(tái)。與液晶顯示器(LCD)相比,OLED具有可視度更佳、圖像質(zhì)量更好、顯示器更薄等優(yōu)點(diǎn),而且還可以彎曲折疊、隨身攜帶。目前OLED已經(jīng)在一些小型設(shè)備中得到應(yīng)用,如移動(dòng)電話、掌上型電腦以及數(shù)碼相機(jī)等?？逻_(dá)、三星、TVLogic、LG和索尼等公司在OLED顯示器開(kāi)發(fā)市場(chǎng)上具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2004年9月索尼公司開(kāi)始批量生產(chǎn)OLED顯示屏,用于CLIEPEG-VZ90型個(gè)人娛樂(lè)掌上電腦?？逻_(dá)公司已在多款數(shù)碼相機(jī)中使用了OLED顯示屏。2005年5月,三星電子公司宣布,首部基于OLED技術(shù)的40英寸(1英寸=2.54cm)超薄電視機(jī)研制成功。2008年索尼推出了面板厚度僅為3mm、視角達(dá)178°的11英寸OLED電視機(jī)。2010年初,三星展出了14英寸透明OLED筆記本電腦,并計(jì)劃在1年內(nèi)投放市場(chǎng)。三星還計(jì)劃在2010年底推出配有2英寸透明OLED屏幕的MP3播放器IceTouch。2010年4月TVLogic推出了兩款專(zhuān)業(yè)級(jí)OLED顯示器,其中的TDM-150W支持3D顯示,估計(jì)是市面上首款3DOLED顯示器。2010年5月索尼開(kāi)發(fā)出厚度僅為80μm的可卷式顯示器,是OLED技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破。預(yù)計(jì)2010年全球智能手機(jī)銷(xiāo)量可能會(huì)增長(zhǎng)50%,未來(lái)5年智能手機(jī)將促使高端OLED顯示器呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展的勢(shì)頭。隨著OLED領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)工作的突飛猛進(jìn),未來(lái)OLED的應(yīng)用范圍可能會(huì)擴(kuò)大到平視顯示器、汽車(chē)儀表板、看板式顯示器、家庭或辦公室照明以及柔性顯示器。由于OLED的刷新速率比LCD更高(高出近1000倍),使視頻圖像的逼真度大大提升,還可以不間斷地進(jìn)行圖像更新。未來(lái)的報(bào)紙可能就是一部OLED顯示器,能持續(xù)更新突發(fā)新聞事件,不看的時(shí)候即可像報(bào)紙一樣卷起來(lái)裝進(jìn)背包。4有機(jī)rfid市場(chǎng)前景的展望除有機(jī)太陽(yáng)電池、OLED顯示和照明應(yīng)用外,射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽、大面積傳感器及集成智能系統(tǒng)的研究也有較大進(jìn)展。RFID被稱(chēng)為本世紀(jì)的十大技術(shù)之一,RFID商品標(biāo)簽也被認(rèn)為是今后全球商品交易及物流中采用最廣的技術(shù)之一。如果每個(gè)標(biāo)簽的價(jià)格以5美分計(jì)算,RFID標(biāo)簽的潛在市場(chǎng)規(guī)?？赡苓_(dá)到每年數(shù)十億至數(shù)百億美元。但現(xiàn)有RFID標(biāo)簽的高成本一直制約著這項(xiàng)技術(shù)的普及和發(fā)展,低成本有機(jī)RFID標(biāo)簽技術(shù)的研究和發(fā)展有望解決這一問(wèn)題。據(jù)估計(jì),有機(jī)RFID標(biāo)簽的成本有望降至0.01~0.02美元,甚至更低。作為一個(gè)低成本的選擇方案,有機(jī)RFID將在世界范圍內(nèi)開(kāi)辟一個(gè)新市場(chǎng),與Si片RFID技術(shù)相互補(bǔ)充來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。世界各國(guó)都認(rèn)為有機(jī)RFID市場(chǎng)潛力巨大,至于技術(shù)的發(fā)展,目前全球都還處于探索階段,但對(duì)其發(fā)展前景普遍看好,多個(gè)國(guó)家和地區(qū)科的科研機(jī)構(gòu)都紛紛加大研發(fā)力度,如OrganicID,IBM,PolyIC和IMEC等。近年來(lái),微芯片上的傳感系統(tǒng)也引起了較為廣泛的關(guān)注,催生了“芯片實(shí)驗(yàn)室”這一新的概念。具有“芯片實(shí)驗(yàn)室”這一特征的器件是一些集成度較高的小型傳感器系統(tǒng),這類(lèi)系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。通常這些領(lǐng)域使用的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)都十分復(fù)雜,且價(jià)格很高。采用“芯片實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)可以將分析用的所有元器件制作在一個(gè)完整的集成系統(tǒng)中來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本。這些微系統(tǒng)可采用的襯底材料范圍很廣,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其他塑料等。許多不同類(lèi)型的有機(jī)傳感器系統(tǒng)已經(jīng)問(wèn)世,如集成化學(xué)、溫度和壓力傳感器、電子鼻、電子舌、光掃描儀以及盲人專(zhuān)用的電子布萊葉傳感器等。集成智能系統(tǒng)(ISS)可以將多種完全不同的功能集成在一塊芯片上,從而開(kāi)辟了許多全新的價(jià)值領(lǐng)域。ISS的應(yīng)用領(lǐng)域包括診斷系統(tǒng)、大面積傳感器、智能光源與光系統(tǒng)和智能包裝等。歐洲、日本和美國(guó)在這一領(lǐng)域的科研水平比較領(lǐng)先,但以中國(guó)為代表的一些亞洲國(guó)家也具有一定的優(yōu)勢(shì)。5車(chē)載和凈水器的應(yīng)用市場(chǎng)有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)已在眾多應(yīng)用領(lǐng)域顯示出廣闊的發(fā)展前景,為此越來(lái)越多的公司和機(jī)構(gòu)都開(kāi)始涉足有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。據(jù)2009年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,僅歐洲就有15個(gè)國(guó)家多達(dá)70余家公司在從事有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的開(kāi)發(fā)。隨著批量制造技術(shù)水平的提高,有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)將真正成為一項(xiàng)實(shí)用化技術(shù),并與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)展開(kāi)有力的競(jìng)爭(zhēng)。例如OLED電視的實(shí)用化水平已達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?市場(chǎng)占有率也在不斷提高,隨著制造成本的大幅降低,OLED電視將成為千家萬(wàn)戶必不可少的家用電器。此外,透明、柔軟、可折疊的OLED技術(shù)還將有助于電子報(bào)紙開(kāi)發(fā),人們將不需每天都購(gòu)買(mǎi)報(bào)紙。建筑物玻璃窗將增添更多新的功能,采用OLED技術(shù)的玻璃窗在電源關(guān)閉狀態(tài)時(shí)與普通玻璃窗并無(wú)區(qū)別,而接通電源后即可變成顯示器或廣告欄。汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的功能也不再只是阻擋風(fēng)沙,它還能為司機(jī)提供導(dǎo)航圖或其他信息幫助。迄今為止,多種有機(jī)半導(dǎo)體器件應(yīng)用市場(chǎng)已開(kāi)始初具規(guī)模,OLED電視即是最典型的實(shí)例。此外,OSRAM在2008年向市場(chǎng)推出了OLED照明燈,2010年OLED照明市場(chǎng)會(huì)有所增長(zhǎng),至2015年市場(chǎng)規(guī)模會(huì)達(dá)到40億歐元,占整個(gè)照明市場(chǎng)的5%。2012年有機(jī)RFID市場(chǎng)將達(dá)到45億美元。2015年,使用有機(jī)電路的RFID市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到116億美元。另?yè)?jù)市場(chǎng)研究與分析公司IDTechEX預(yù)測(cè),至2027年全球有機(jī)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)與傳統(tǒng)CMOS器件市場(chǎng)相當(dāng),達(dá)到3300億美元,其中邏輯和存儲(chǔ)器件的增長(zhǎng)最為可觀,將達(dá)到1150億美元。6有機(jī)半導(dǎo)體器件的應(yīng)用前景經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展,作為電子和光電子應(yīng)用的新型材料,有機(jī)半導(dǎo)體經(jīng)歷了材料開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)研究和器