Orgaaniset puolijohteet eivät ole pysyneet epäorgaanisten transistoreiden mitoituksien mukana. Myös niiden suorituskyky varaustenkantajien liikkuvuuden osalta on huomattavasti heikompi. Nyt müncheniläisen Ludwig-Maximilians Universitätin tutkijat ovat kehittäneet orgaanisen transistorin, joka toimii sekä matalien että korkeiden virtojen alueella.
Orgaanisilla rakenteilla on monia etuja: ne voidaan valmistaa helposti teollisessa mittakaavassa, materiaalikustannukset ovat pienemmät ja ne voidaan levittää läpinäkyvästi joustaville pinnoille. Professori Thomas Weitz 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. Neuronisissa verkoissa ja kädessä pidettävissä laitteissa pieni tehonkäyttö on puolestaan kriittistä, Thomas Weitz kertoo.
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 tutkijoille 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.
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 transkonduktansseja. Erityisen kiinnostava on niiden mahdollinen käyttö ns. memristiivisinä elementteinä. Memristoreja voidaan ajatella keinotekoisina neuroneina, koska niitä voidaan käyttää neuronien käyttäytymisen mallintamiseen sähköisien signaalien avulla.
Tutkijat ovat jo toimittaneet laitteelle patenttihakemuksen, jotta he voivat kehittää uutta transistoriarkkitehtuuria teolliseen käyttöön.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 1.4.2019
