Novo semicondutor orgânico miniaturizado suportará dispositivos eletrônicos flexíveis

Os transistores de efeito de campo (FET) são os principais blocos de construção da eletrônica moderna, como circuitos integrados, CPUs de computador e backplanes de exibição. Os transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs) têm a vantagem de serem flexíveis quando comparados com seus equivalentes inorgânicos como o silício.

Os OFETs, devido à sua alta sensibilidade, flexibilidade mecânica, biocompatibilidade, ajuste de propriedade e baixo custo de fabricação, têm grande potencial em novas aplicações, como eletrônicos vestíveis, sensores de monitoramento de saúde conformal e telas dobráveis. Imagine telas de TV que podem ser enroladas; ou dispositivos eletrônicos vestíveis inteligentes e roupas usadas perto do corpo para coletar sinais vitais do corpo para biofeedback instantâneo; ou mini-robôs feitos de materiais orgânicos inofensivos que trabalham dentro do corpo para diagnóstico de doenças, transporte de medicamentos direcionados, mini-cirurgias e outras aplicações médicas.

Até agora, a principal limitação no desempenho aprimorado e na produção em massa de OFETs tem sido a dificuldade de miniaturizá-los. Os produtos que utilizam OFETs atualmente no mercado são limitados em termos de flexibilidade e durabilidade do produto.

Uma equipe de engenharia liderada pelo Dr. Paddy Chan Kwok Leung no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Hong Kong (HKU) fez um importante avanço no desenvolvimento de um transistor de efeito de campo orgânico monocamada de estrutura escalonada, que facilitará muito a redução do tamanho de OFETs.

O grande problema que tem enfrentado os cientistas na redução do tamanho dos OFETs é que o desempenho do transistor cai significativamente com a redução do tamanho. Isso se deve em parte ao problema da resistência de contato – resistência nas interfaces – que resiste aos fluxos de corrente. Quando o dispositivo fica menor, sua resistência de contato se torna um fator dominante na redução significativa do desempenho do dispositivo.

Os OFETs de monocamada de estrutura escalonada demonstram uma baixa resistência de contato normalizada recorde de 40 Ω-cm em comparação com dispositivos convencionais que têm uma resistência de contato de 1000 Ω-cm. O novo dispositivo pode economizar 96% de dissipação de energia na interface, reduzindo assim o calor gerado no sistema, um problema comum que causa falhas em semicondutores. Isso, por sua vez, permitirá que as dimensões dos OFETs sejam reduzidas à escala submicrométrica, um nível compatível com suas contrapartes inorgânicas, enquanto ainda funcionam efetivamente para exibir suas propriedades orgânicas únicas. "Isso é fundamental para atender aos requisitos de comercialização", disse o Dr. Chan.

Esses OFETs também têm uma relação sinal-ruído aprimorada, o que lhes permitirá detectar sinais fracos que não podiam ser detectados anteriormente usando eletrodos nus convencionais para detecção.

OFETs flexíveis podem transformar dispositivos rígidos tradicionais, como painéis de exibição, computadores e telefones celulares, tornando-os flexíveis e dobráveis. Esses futuros dispositivos também seriam muito mais leves e teriam baixo custo de produção.

“Além disso, dada a sua natureza orgânica, é provável que sejam biocompatíveis para aplicações médicas avançadas, como sensores para rastrear a atividade cerebral ou detecção de picos neurais e no diagnóstico preciso de doenças relacionadas ao cérebro, como a epilepsia”. Dr. Chan acrescentou.

A equipe do Dr. Chan está atualmente trabalhando com pesquisadores da Faculdade de Medicina da HKU e especialistas em engenharia biomédica da CityU para integrar os OFETs miniaturizados em um circuito flexível em uma microssonda de polímero para detecção de pico neural in vivo em um cérebro de camundongo sob diferentes estímulos externos. Eles também planejam integrar os OFETs em ferramentas cirúrgicas, como cateteres, que podem ser inseridos no cérebro dos animais para detectar diretamente a atividade cerebral e localizar anormalidades.