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新型量子点晶体管有望成为传统电子器件的柔性替代

发布时间:2020-11-07 访问次数:838次 来源: 科技报告与资讯 分享:

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员及其来自加州大学欧文分校的合作者用被称为量子点的微小结构创造了基本的电子构件,并将其用于组装功能逻辑电路。这项创新有望为复杂的电子设备提供一种更便宜、更易于制造的方法,可以通过简单的、基于溶液的技术在化学实验室中制造,并为一系列创新设备提供长期的组件。

"基于无毒量子点的电子设备新方法的潜在应用包括可印刷电路、柔性显示器、实验室片上诊断、可穿戴设备、医疗检测、智能植入物和生物统计学,"洛斯阿拉莫斯专门研究半导体纳米晶体的物理学家Victor Klimov说,他是10月19日《Nature Communications》杂志上宣布新成果的论文的主要作者。

几十年来,微电子技术一直依赖于在特殊营造的洁净室环境中加工的特高纯度硅。最近,以硅为基础的微电子技术受到了一些替代技术的挑战,这些技术可以在洁净室之外,通过廉价、容易获得的化学技术制造复杂的电子电路。在更为宽松的环境中用化学方法制造的胶体半导体纳米粒子就是这样一种新兴技术。由于其体积小,且具有直接受量子力学控制的独特性质,这些粒子被称为量子点。

胶体量子点由一个覆盖着有机分子的半导体核心组成。由于这种混合性质,它们结合了人们熟知的传统半导体的优点和分子系统的化学多功能性。这些特性对于实现新型的柔性电子电路很有吸引力,这种电路几乎可以印在任何表面上,包括塑料、纸张,甚至是人体皮肤。这种能力可以使许多领域受益,包括消费电子、安全、数字标牌和医疗诊断。

电子电路的一个关键元素是晶体管,它作为电流的开关,由外加电压激活。通常,晶体管是成对的n型和p型器件,分别控制负电荷和正电荷的流动。这种成对的互补晶体管是现代CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的基础,使微处理器、存储芯片、图像传感器和其他电子设备成为可能。

第一个量子点晶体管在近二十年前就已经被证实。然而,在同一个量子点层中集成互补的n型和p型器件仍然是一个长期的挑战。此外,该领域的大部分研究都集中在基于铅和镉的纳米晶体上。这些元素是剧毒的重金属,这极大地限制了所演示器件的实际效用。

洛斯阿拉莫斯研究团队及其来自加州大学欧文分校的合作者证明,通过使用不含重金属的硒化铜铟(CuInSe2)量子点,他们既能解决毒性问题,又能在同一量子点层中直接实现n型和p型晶体管的集成。作为对所开发方法实际效用的证明,他们创造了能进行逻辑运算的功能电路。

Klimov及其同事在新论文中提出的创新技术,使他们能够通过应用两种不同类型的金属触点(分别是金和铟)来定义p型和n型晶体管。他们通过在预图案触头上沉积一个共同的量子点层来制作器件。"这种方法允许将任意数量的互补p型和n型晶体管直接集成到同一个量子点层中,该量子点层通过标准旋涂制备成连续的非图案化薄膜,"Klimov说。

论文标题为《Solution-processable integrated CMOS circuits based on colloidal CuInSe2 quantum dots》。

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