部分有机的半导体：有望应用于可弯曲的手机

导读

近日，澳大利亚国立大学的工程师们发明出一种含有无机和有机材料的半导体。它可以非常高效地将电力转化为光线，并具有足够的薄度和柔性，有助于制造可弯曲的设备，例如手机。

背景

全球范围内，废弃电子产品会产生巨量的电子垃圾。这些电子垃圾不仅将对环境产生不可逆的危害，而且也会危害人体健康，引发癌症等多种疾病。

或许，我们不禁要问：为什么电子垃圾会产生如此大的危害呢？原因就是，目前流行的智能手机、平板电脑、便携式电子产品等, 为了长期稳定地保持功能，通常会由不可降解、非常稳定、甚至可能有毒的基底材料和电子元器件制造而成。不少的电子元器件中都含有有毒的化学物质与重金属，例如汞、砷、铬、铅、铬、溴化阻燃物、钡、铍、磷化物等。

（图片来源：路透社）

目前，处理电子垃圾的常规方法有填埋、焚烧、化学处理。可是，这些处理方法具有一个共同的缺陷，就是会带来环境污染。为此，笔者也曾介绍过一个创新、环保的方法：冷冻粉碎处理法。

虽然上述的创新方法能更环保地处理电子垃圾，但是治理电子垃圾还是要从源头抓起，杜绝电子垃圾的产生。传统的电子元器件都是不可生物降解的，也没有生物相容性，且含有大量对环境和人体有害的物质。因此，要从源头杜绝和减少电子垃圾的产生，就要探索出有机、环保、生物可降解的新一代电子设备。之前，笔者介绍过此类电子设备的研究案例，例如：

1）瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的科研团队开发出一款可测量温度的可生物降解的微型生物感测器，未来将有望实现食品的物联网：“食联网”。

（图片来源：ETH Zurich）

2）美国斯坦福大学的科研人员研制的柔性、有机、可生物降解的电子设备。它不仅环保，而且具有极佳的生物相容性，因此可用于可穿戴电子设备、植入式设备等领域。

（图片来源：斯坦福大学 / Bao lab）

3）美国宾汉姆顿大学开发出一种纸基微生物燃料电池，它不仅可生物降解，而且效率比之前更高。

（图片来源：宾汉姆顿大学）

创新

今天，笔者再为大家介绍一个这方面的研究案例。近日，澳大利亚国立大学（ANU）的工程师们发明出一种含有无机和有机材料的半导体。它可以非常高效地将电力转化为光线，并具有足够的薄度和柔性，有助于制造可弯曲的设备，例如手机。

Larry Lu （左）和 Ankur Sharma （图片来源：Jack Fox, ANU）

技术

有机成分的厚度仅为一个原子，并且仅由碳元素和氢元素组成，这种有机成分是澳大利亚国立大学开发的半导体的一部分。无机成分的厚度约为两个原子。这种混合结构能有效地将电力转化为光线，用于手机、电视和其他电子设备的显示屏。

这种裸眼不可见的半导体材料，位于芯片上的金电极之间，是一个功能晶体管。芯片可容纳约一千个晶体管电路。

（图片来源：Jack Fox, ANU）

团队一个分子接一个分子地生长出有机半导体成分，这种方式类似3D打印。这种工艺称为“化学气相沉积”。

价值

这项发明，也为用可生物降解、易回收利用的有机材料，制造新一代高性能电子设备打开了大门，并有望帮助大幅减少电子垃圾。作为领导的澳大利亚国立大学工程研究学院的副教授 Larry Lu 表示，这项发明是这一领域的重要突破。

Lu 副教授称：“第一次，我们开发出了一种具有卓越半导体特性的超薄电子元件，它具备有机-无机混合结构，以及足够的薄度和柔性，有望用于未来的技术，例如可弯曲的手机和显示屏。”

澳大利亚国立大学博士研究员 Ankur Sharma 表示，实验表明，他们设计的半导体的性能，比由无机材料例如硅制成的传统半导体，要高效得多。

澳大利亚国立大学工程研究学院的 Sharma 先生表示：“我们有望通过这种半导体让手机像如今的超级计算机一样强大。”

“我们设计的半导体结构发出的光线非常锐利，可用于高分辨率显示屏，而且由于材料是超薄的，在不久的将来，它们可以灵活地应用到可弯曲的显示屏和手机中。”

Lu 副教授表示：“我们描述了我们发明的设备的光电和电气特性，从而证实了它在未来半导体元件方面的巨大应用潜力。”

未来

Lu 副教授还表示：“我们正大规模地生长半导体成分，这样可以与未来的工业合作伙伴进行商业化合作。”

关键字

有机电子、柔性电子、半导体

参考资料

【1】http://www.anu.edu.au/news/all-news/part-organic-invention-can-be-used-in-bendable-mobile-phones

【2】Linglong Zhang, Ankur Sharma, Yi Zhu, Yuhan Zhang, Bowen Wang, Miheng Dong, Hieu T. Nguyen, Zhu Wang, Bo Wen, Yujie Cao, Boqing Liu, Xueqian Sun, Jiong Yang, Ziyuan Li, Arara Kar, Yi Shi, Daniel Macdonald, Zongfu Yu, Xinran Wang, Yuerui Lu. Efficient and Layer-Dependent Exciton Pumping across Atomically Thin Organic-Inorganic Type-I Heterostructures. Advanced Materials, 2018; 30 (40): 1803986 DOI: 10.1002/adma.201803986