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電晶體新秀走混搭風,威脅矽元素主導地位!

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混合奈米碳管(CNT)和氧化銦鎵鋅(IGZO)的混合電路鑲嵌在聚二甲基矽氧烷基板的聚酰亞氨薄膜上。 Credit: USC Viterbi, Chongwu Zhou

說到電子產業,矽元素恐怕不再獨占鰲頭。

近日在《自然通訊期刊》(Nature Communications)上發表的研究報告指出, 南加州大學維特比工程學院(USC  Viterbi of Engineering)研究團隊開發出一種混合電路,整合奈米碳管和其它薄膜電晶體,克服了奈米碳管的弱點、更加節能且具有延展性。

奈米碳管具有透明、高延展性而且製作成本低的特性,這種新式混合電路可以取代矽元素作為製作電子蕊片時的電晶體素材。

南加州大學維特比學院電氣工程教授周崇武博士(Dr.Chongwu Zhou)和研究生Haitian Chen(譯名)、Yu Cao和Jialu Zhang整合了奈米碳管薄膜電晶體和氧化銦鎵鋅薄膜電晶體研發出這種高效能的電路。

周崇武表示:「我在2013年一月的時候想到了這個概念,在這之前,我們竭盡心力想把奈米碳管轉化成N型電晶體,有一天,我突然靈光一現,想到與其勉強奈米碳管做它不擅長的事,何不尋找另一種N型電晶體(這裡指氧化銦鎵鋅)素材來製造互補電路呢?」

這次的混合之所以成功,在於結合了奈米碳管和氧化銦鎵鋅兩者分別是P型電晶體和N型電晶體的特性,以製造種可以互補運行的電路,減少能量損耗並提升效率,如果只有奈米碳管發生作用,無法達到真正的高效能,氧化銦鎵鋅的參與提供了能源效率以增加電池壽命,藉由混合這兩種素材,它們各自發揮了優點並隱藏了劣勢。

周崇武教授以中國陰陽調和的哲學來比喻奈米碳管和氧化銦鎵鋅的結合,他表示:「兩者的結合就像對天造地設的夫妻,我們對於這個互補電路的概念感到興奮,我們相信它有很大的潛力。」

這種混合電路事實上有許多實際運用的潛力,包括有機發光二極體(OLEDs)、數位電路(digital circuits)、射頻辨識(RFID)標籤、感測器(sensors)、穿戴式電子產品(wearable electronics)、快閃儲存器(flash memory device)甚至汽車儀表板上的抬頭顯示器(head-up display)可能很快就會問世。

這項新的技術在醫療方面也具有相當大的潛力,為了從病人身上得到如心跳速率或腦波數據等醫療資訊,以往硬性的電極會被安裝在病人身上的特定部位,現在利用這種新的整合電路,或許可以只安裝一個較大、延展性較強的電極探測病人的全身。

在這個研究中,周崇武博士與他的研究團隊避開了製造N型奈米碳管電晶體與P型氧化銦鎵鋅電晶體的難題,卻整合了P型的奈米碳管電晶體和N型的氧化銦鎵鋅電晶體,此舉大大地展現了電路整合的可能性。為了証實他們的理論,他們完成了包含1000個電晶體的刻度環振盪器。目前為止,所有以奈米碳管為基礎的電晶體佔大多數,共有200個電晶體。

「我們相信這是科技的一大突破,因為以前從來沒有人做過這件事。」周崇武的研究助理Haitian Chen表示:「這次的成功證明了我們可以進行更大尺度的電路整合,此法可以製造更複雜的電路。」

「數位電路可以應用在任何電子產品,具有無限的可能性。」Haitian Chen進一步說:「有一天印製電路會像印製報紙一樣簡單!」

周崇武與Haitian Chen師徒都認為,奈米碳管相關科技,包含奈米碳管和氧化銦鎵鋅的整合技術會在將來的五到十年內商業化。

「我相信這只是一個開始,」周崇武表示:「我們期待看到更多有趣的成果。」

資料來源:

Move over, silicon, there’s a new circuit in town. phys.org [June 17,2014]

 

關於作者

Pansci實習編輯,無法抗拒吸收冷門知識時的生理快感,興趣是利用科學理論煉成料理。 有一天突然發現如果用心理學理論解釋人類行為能降低對於人與人之間衝突的恐懼,因此對心理學和傳播理論特別有興趣。