世界首个互补式电化学逻辑电路问世：可在水中运行！
导读
近日，瑞典林雪平大学有机电子实验室的研究人员开发出世界上首个互补式电化学逻辑电路，它可以在水中长期稳定地运行。在生物电子开发领域，这是一项具有标志性意义的突破性进展。
背景
一般来说，传统意义上的电子器件是由无机导体和半导体例如：铜和硅等制成。然而，有机电子（Organic electronics）则属于一个新兴前沿科技领域。不同于传统的无机电子器件，它是由碳基的高分子和小分子材料制成。
有机电子器件优势包括：成本低、重量轻、柔性高、热稳定性强、制造简便等等。此外，有机电子器件的应用范围也非常广阔，下面举几个笔者之前介绍过的例子来看一下。
1）美国麻省理工学院将低成本的有机材料（含碳）与柔性、透明的石墨烯电极像结合，开发出一种柔性、透明的有机太阳能电池。
（图片来源：MIT）
2）韩国科学技术院的科研团队开发出一种超柔性的有机闪速存储器，它可弯曲到低至300μm的半径。这种存储器不仅具有与现有工业标准相同的编程电压，而且具有相当长的数据预计保留时间。
（图片来源：KAIST）
3）法国斯特拉斯堡大学、国家科学研究中心(CNRS）、柏林洪堡大学 、斯洛文尼亚新戈里察大学的研究人员组成的研究团队开发出一种柔性、非易失的、由有机纳米材料组成的光学存储薄膜晶体管器件。
（图片来源： Paolo Samori/University of Strasbourg & CNRS）
4）美国斯坦福大学的科研人员成功研制出一种柔性、有机、可生物降解的电子设备。它不仅环保，而且具有很好的生物相容性，能够应用于可穿戴设备、植入式设备等电子产品领域。
（图片来源：斯坦福大学/Bao lab）
5）美国佐治亚理工学院 Reynolds 实验室开发出一种电致变色薄膜，它是由共轭聚合物、富有色彩的和电活性的有机分子制成。
（图片来源：佐治亚理工学院）
创新
近日，瑞典林雪平大学（ Linköping University）有机电子实验室的研究人员开发出世界上首个互补式电化学逻辑电路，可以在水中长期稳定地运行。这将成为生物电子学开发方面的一项显著的突破性进展。
（图片来源：Thor Balkhed）
林雪平大学有机电子实验室有机纳米电子小组的负责人 Simone Fabiano 和他的同事们一起将论文发表于《高级材料》杂志。
技术
早在2002年，林雪平大学的研究人员就展示了首个可印刷的有机电化学晶体管。从那时起，这方面的研究就突飞猛进。一些有机电子组件，例如发光二极管和电致变色显示器，已经开始商用。
目前为止，一直占支配地位的材料就是：PEDOT:PSS，这是一种P型半导体材料材料。在这种材料中，载流子主要是空穴。为了构建出有效的电子元器件，也需要一种与之互补的材料：N型半导体材料。在N型半导体材料中，载流子主要是自由电子。
然而，寻找一种足够稳定的材料，使之可以在水介质中运行，而且当材料掺杂时，其中的长链聚合物可以承受住高电流，这一直都是一个难题。
然而根据研究论文，一种N型导电材料中的梯状聚合物骨架结构有利于稳定以及掺杂时的高电流。其中一个例子便是BBL，聚合物(benzimidazobenzophenanthroline)，一种常用于太阳能电池研究的材料。
博士后研究员 Hengda Sun 开发出一种方案，创造出较厚的膜材料。然而膜越厚，导电性能越好。Simone Fabiano 表示：“我们使用喷涂工艺制造出厚度达200纳米的薄膜。它可以达到极高的导电率。”
这种方法也可以成功应用于具有大表面的印刷电子技术。Hengda Sun 也表示这种电路在氧气和水中，都能持久有效地运行。
价值
Simone Fabiano 表示：“一眼看上去，这有点像在某个特殊领域中的小进展，但是它的伟大之处在于后续将启发很多的应用。现在，我们可以构建出互补逻辑电路（变频器、传感器和其他元器件），它们都可以在潮湿环境中运行。”
有机电子系教授、有机电子实验室负责人 Magnus Berggren 表示：“纯粹基于P型电化学晶体管的逻辑电路中需要电阻器。所以这些电路很笨重，而且这也限制了它们的应用范围。通过工具包中的N型材料，我们可以制造出互补式电路，这些电路的空间效率更高，因为逻辑电路中不再需要电阻器。”
未来，有机元器件的应用包括：能够印刷在织物或者纸张上的逻辑电路、各种廉价的传感器、非刚性和柔性的显示器，尤其是广泛的生物电子领域。在人体中的离子导电系统和电子元器件例如传感器之间，能够传导离子和电子的聚合物将成为一座桥梁。
关键字
参考资料
【1】https://liu.se/en/news-item/jattekliv-inom-den-organiska-elektroniken
【2】Hengda Sun, Mikhail Vagin, Suhao Wang, Xavier Crispin, Robert Forchheimer, Magnus Berggren, Simone Fabiano,. Complementary logic circuits based on high-performance n-type organic electrochemical transistor. Advanced Materials, 2017 DOI: 10.1002/adma.201704916R2
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