Разработан транзистор, объединяющий в себе память, обработку сигналов и излучение света

В результате устройство сохранило простую структуру с одним активным слоем, , обеспечив при этом работу при низком напряжении, широкое пространственно локализованное световое излучение, а также нейроморфную функциональность обработки сигналов.

Работа опубликована в журнале Nature Materials.

Носимая электроника стремительно развивается, превращаясь из умных часов и смарт-очков в удобные для пользователей платформы нового поколения, которые в будущем будут дополнены наносными и имплантируемыми устройствами. В частности, носимые на коже устройства, а также интегрированные полупроводниковые технологии, объединяющие функции датчиков, обработки сигналов, памяти и дисплея на одной платформе, считаются ключевыми технологиями для здравоохранения нового поколения и будущей электронной промышленности. В последнее время носимая электроника вышла за рамки простого распознавания биосигналов и перешла к их обработке и визуализации в режиме реального времени.

 Однако до недавнего времени эти функции обычно реализовывались с помощью отдельных подключенных устройств, что приводило к созданию сложных структур, использованию громоздких и жестких компонентов и высокому энергопотреблению. Поэтому интеграция множества функций в простую архитектуру устройства стала серьезной проблемой.

Органические светоизлучающие транзисторы привлекают внимание как перспективные кандидаты для носимой электроники следующего поколения, поскольку они могут сочетать в одном устройстве функции транзистора и светодиода. Однако обычные органические транзисторы с латеральным расположением электродов требуют высокого рабочего напряжения от 80 до 180 В из-за большого расстояния между электродами и высокого барьера для инжекции электронов. Даже при использовании электрохимического ионного легирования для снижения рабочего напряжения оно все равно должно составлять более 3,5 В, а зона эмиссии остается узкой и нестабильной, что ограничивает практическое применение таких устройств в реальных дисплеях и интеллектуальных носимых электронных системах.

Исследовательская группа разработала сверхнизковольтный электрохимический органический светоизлучающий транзистор, который объединяет в одном органическом транзисторе функции обработки сигналов, хранения данных и светоизлучения. Введя в активный слой вещество, усиливающее ионный транспорт, чтобы вызвать образование двойного электрического слоя на границе раздела электродов, команда исследователей предложила новый механизм эффективной инжекции электронов, не требующий высокого напряжения или нестабильного легирования, как в традиционных подходах. Это позволило добиться свечения даже при напряжении менее 3,5 В, которое ранее считалось слишком низким для работы, при сохранении широкой и стабильной зоны свечения.

Устройство также продемонстрировало способность к обработке сигналов и запоминанию: реакции накапливались при повторении стимулов и сохранялись в течение длительного времени. Кроме того, оно было использовано в системе гибкого носимого дисплея, работающей всего от двух батареек по 1,5 В.

Это исследование показывает, что стабильное светоизлучение и интеллектуальные функции могут быть реализованы одновременно даже в простой одноактивной многослойной структуре, что значительно расширяет возможности применения органических транзисторов в носимых устройствах.

Это исследование важно тем, что в нем объединены обработка сигналов, память и светоизлучение в одном устройстве, что позволяет преодолеть ограничения традиционных носимых электронных систем, для которых требуется изготовление и соединение множества отдельных компонентов.

В частности, демонстрируя кумулятивные и устойчивые реакции на входные стимулы, он показывает потенциал электроники нового поколения, способной обрабатывать информацию и мгновенно отображать результат с помощью света.

В то время как обычные носимые устройства не позволяют пользователям проверять измеренные показатели в режиме реального времени во время движения, эта технология обеспечивает мониторинг в реальном времени и мгновенную передачу информации.

Ожидается, что эта технология найдет применение в таких областях, как реабилитация, неотложная помощь пациентам, мониторинг физических нагрузок, носимая электроника и «умное» здравоохранение, и может стать ключевой технологией для смежных отраслей.