文/劉亦之、李俊毅、翁嘉玲
文/劉亦之、李俊毅、翁嘉玲|國？中國臺灣省？學物理和電學？選修課程的學生
還記得我們想象谷歌眼鏡的時候嗎？眨眼就可以拍照，隨著視線的轉移可以隨意縮放窗口和滾動頁面。但是，妳有沒有關註過這些功能背後的技術？
如何讓科幻電影中酷炫的互動可穿戴設備成為現實，壹直是科學家們的夢想。Pexel交互可穿戴設備壹直是科幻電影中不可或缺的元素之壹，而這些設備之所以只能存在於大銀幕上，是因為現實中有很多問題需要克服，除了成本考慮，還有運動檢測。由於人體的大部分生物電信號都極其微弱，為了檢測這些信號，目前有效的技術基本上都需要配壹個價格昂貴、續航能力低的檢測裝置才能達到目的。理想的檢測設備必須能夠檢測到微小的運動。因此，檢測設備最重要的部分是放大器。但如果要普及可穿戴交互設備，這種放大器就要功耗低，可擴展，放大效果好，耐用，生產成本低，才能滿足我們長期佩戴使用的需求。？
電子元器件中的放大器——晶體管目前電子元器件中的放大器大多采用晶體管來達到放大的效果，而這些晶體管是由半導體堆疊而成的。
不同導電性材料的比較。材料中的電子本來是束縛在價帶中的，但是如果給電子足夠的能量，它們就有機會跳到導帶，變成可移動的電子，壹般都是金屬導體，也就是價帶離導帶很近，只需要壹點點能量就可以把它們變成可移動的電子，而絕緣體正好相反。即使給了很多能量，也很少有電子能移動。
顧名思義，半導體介於導電和不導電之間。我們現在可以通過調整給定的能量來決定壹種材料是否可以導電。利用這壹特性，半導體可以成為控制電路通斷狀態的簡單自動控制器件。
半導體做的晶體管是如何做出放大效果的？從晶體管這個詞的詞根可以發現，它是由trans和電阻組成的，也就是用壹個額外的觸點來控制晶體管中的電阻。以電阻為例，它沒有任何外部控制點，所以假設有1安培的電流從壹端流入，另壹端會輸出1安培的電流；晶體管有壹個額外的觸點。如果在這個觸點上加壹個電壓，來“通知”晶體管改變輸出端的電阻，那麽我們就可以控制輸出電流，這就是晶體管作為放大器的原理。
電阻器(左)和晶體管(右)的原理圖顯示，晶體管有壹個額外的觸點。下面提到的薄膜晶體管(TFT)是晶體管的壹種，常用於顯示器。根據電流是否通過，間接控制屏幕上的每個像素產生不同的亮度，使液晶顯示器顯示各種畫面和顏色。但是普通的薄膜晶體管很難成型，所以很難應用到可穿戴設備上。
又薄又短又便宜？“有機”可能是關鍵有機薄膜晶體管Note 1 (OTFT)主要由具有* * *軛鍵的聚合物制成Note 2。常見的有機高分子材料，如塑料、橡膠等都是絕緣體，因為它們的由碳氫化合物組成的單鍵長鏈分子沒有自由移動電荷。具有* * *軛鍵的導電聚合物主鏈由單鍵-雙鍵* *軛鍵交替形成。這時每個碳原子都有壹個不成對的價電子，這個多余的電子可以在分子上自由移動，不受鍵端束縛，但是這個價電子不容易沿著整個長鏈移動，所以需要摻雜——也就是添加壹個帶電荷的載流子(也就是攜帶某種。？
左邊是* * *軛分子1，3-丁二烯，右邊是非* * *軛分子1，4-戊二烯。？與普通薄膜晶體管相比，圖伊蒂巴拉那大學有機薄膜晶體管具有以下優點:低溫工藝，制造步驟簡單，成本低，易於成型。但是，由於有機材料中的分子只是通過微弱的引力結合在壹起，不像無機半導體中的分子，它們肯定是通過化學鍵連接在壹起的。這種微弱的分子間相互作用使它們容易形成缺陷，載流子在傳輸過程中容易被缺陷俘獲。這時候就需要施加很大的電壓來提供能量釋放它們。這種未解決的初始電壓問題是無機半導體在當今工業中廣泛應用的原因。？
今天，陳江團隊發現的這組肖特基勢壘this薄膜晶體管放大電路(SB-OTFT放大電路)完美克服了上述障礙。？
明明有幾千個晶體管，為什麽“它”能贏？這組放大器使用C8-BTBT(壹種具有* * *軛鍵的高分子材料)作為有機半導體的主要成分，這樣就可以通過噴墨印刷技術生產(例如字面意思可以“印刷”)，因此制造成本遠低於過去常見的薄膜晶體管，具有量產的潛力。還因為C8-BTFT (>: 50μm)的晶粒比較大，可以有效的覆蓋整個通道。在體積不變的情況下，大晶粒數量少，還可以減少晶粒間的接觸面積，有效覆蓋整個溝道，減少晶界註4、堆垛層錯等晶體缺陷的形成，從而降低這種有機半導體的起始電壓，克服大部分有機半導體與電池壹起使用時功耗快、續航能力差的問題。
陳江團隊研制的肖特基有機薄膜晶體管放大器示意圖。陳江等，2019另外，由於其材料特性，該放大器還具有較高的跨導Note 5 (38.2 S/A，接近理論極限？約38.7 S/A，而壹般無機晶體管為20~30 S/A)，功耗極低(
經過三個月的環境暴露測試，閾值電壓(即工作電壓)的漂移小於1mV，導通效率的波動小於1%，遠低於其他有機薄膜晶體管元件在相同條件下的性能(>:100 mV，& gt20%)，這意味著它具有優異的穩定性，即使在長期運行後也能保持其原有的良好特性。
這組銻OTFT的特性與其他晶體管的特性進行了比較。陳江等，2019例如，這種放大器可以大大改善當前檢測眼電(EOG)信號的技術，即通過檢測角膜和視網膜電位來跟蹤眼球運動。上述特征改善了當前檢測器的大體積、高成本和高功率需求的問題。此外，高倍放大和高功率使得探測微小的波動信號成為可能，從而讓我們了解眼睛面對虛擬環境的情況(比如景深效果)。這是構造虛擬現實技術中非常重要的信息。
這組SB-OTFT探測眼信號示意圖。這個眼信號在放大前後進行比較。陳江等，2019有機薄膜晶體管突破科技想象。與傳統的無機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管具有制造工序簡單多樣、成本低廉的優點。再者，它是由有機材料制成的，這使得它更靈活，所以物體的尺寸可以做得更小，更輕，更便於攜帶。
在過去的有機薄膜晶體管研究中，載流子遷移率note 4和電流開關比note 5壹直作為數字開關的改進而被追求。而這項研究突破了舊的刻板印象，開辟了新的研究方向。這套放大器可以同時滿足低功耗、高放大、高功率和高穩定性的要求。不僅如此，它還具有優異的環境穩定性和大規模生產的優點，有利於在生活中的應用，這是其他晶體管無法做到的。？
隨著越來越多的技術聚焦在交互式可穿戴設備上，或許有機薄膜晶體管的發展會延續這種研究，找到更多的可能性，讓交互式可穿戴設備廣泛應用於生活，突破當今科技的想象。
感謝本文來自中國臺灣省立大學物理系電子學課程報告，感謝朱世偉教授和程助理教授的建議和幫助。？
註意:？1.薄膜晶體管(Thin Film Transistors，TFT):場效應晶體管的壹種，大致是通過在襯底上沈積各種薄膜制成的，比如半導體有源層、介質層、金屬電極層作為溝道區。？
2.***共軛成鍵:指單鍵和雙鍵交替的壹種成鍵方式，其中壹個P軌道域重疊連接中間的單鍵。它允許π電子漂移通過所有相鄰的對齊的P軌道域。這個π電子不是單鍵或原子，而是屬於壹組原子。最大的軛體系存在於石墨烯、石墨、導電聚合物和碳納米管中。？
3.跨導效率:晶體管中的壹個參數，描述跨導和相應工作電流之間的比例關系。該值越高，在相同工作環境下設置時所需的工作電流就越小，從而降低整體功耗。常用的定義是gm/IDS，其中gm是跨導，IDS是漏極電流。？
4.載流子遷移率:指載流子在外加電場作用下能移動多快(常用cm2？V-1？S-1為單位)？
5.開/關電流比:當給定電壓大於初始電壓時，晶體管處於導通狀態，反之亦然。通斷狀態的電流比稱為電流開關比，較大的電流開關比代表開關的開關速度快，開關作用明顯。？
還記得我們想象谷歌眼鏡的時候嗎？眨眼就可以拍照，隨著視線的轉移可以隨意縮放窗口和滾動頁面。但是，妳有沒有關註過這些功能背後的技術？
如何讓科幻電影中酷炫的互動可穿戴設備成為現實，壹直是科學家們的夢想。Pexel交互可穿戴設備壹直是科幻電影中不