有机半导体，取得新进展！

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

研究人员在有机半导体领域取得了数十年来的突破性进展。

随着现代信息科技的发展，功能芯片的集成密度越来越高，硅基芯片集成器件的密度已经超过2亿个晶体管每平方毫米。目前，集成电路芯片主要采用单晶硅制造。与硅材料相比，有机半导体材料具有本征柔性、生物相容性、成本低廉等优势，在可穿戴电子设备、生物电子器件等新兴领域具有重要应用前景，是一种具有重要应用前景的半导体材料。

然而，基于有机半导体制造的有机芯片在集成度方面却远远落后于硅基芯片。

由剑桥大学和埃因霍温理工大学领导的研究人员创造了一种有机半导体，可以迫使电子以螺旋模式移动，这可以提高电视和智能手机屏幕中 OLED 显示器的效率，或为自旋电子学和量子计算等下一代计算技术提供动力。

他们开发的半导体发出圆偏振光，这意味着光携带有关电子“左手性或右手性”的信息。大多数无机半导体（如硅）的内部结构是对称的，这意味着电子在它们中移动时没有任何优先方向。

然而，在自然界中，分子通常具有手性（左手或右手）结构：就像人的手一样，手性分子是彼此的镜像。手性在 DNA 形成等生物过程中发挥着重要作用，但在电子学中，它是一种难以驾驭和控制的现象。

研究人员利用受自然启发的分子设计技巧，通过推动半导体分子堆叠形成有序的右旋或左旋螺旋柱，成功制造出手性半导体。他们的研究成果发表在《科学》杂志上。

手性半导体的一个有前景的应用是显示技术。目前的显示器通常会因为屏幕过滤光线的方式而浪费大量能源。研究人员开发的手性半导体可以自然发光，从而减少这些损失，使屏幕更亮、更节能。

“当我开始研究有机半导体时，很多人怀疑它们的潜力，但现在它们却主导着显示技术，”共同领导这项研究的剑桥大学卡文迪什实验室的理查德·弗伦德教授说。

“与刚性无机半导体不同，分子材料具有令人难以置信的灵活性——使我们能够设计全新的结构，例如手性 LED。这就像玩乐高积木，里面有各种你能想象到的形状，而不仅仅是长方形的砖块。”

该半导体基于一种名为三氮杂芳烃 (TAT) 的材料，该材料可以自组装成螺旋堆栈，使电子能够沿着其结构螺旋前进，就像螺丝的螺纹一样。

“当受到蓝光或紫外线激发时，TAT 会发出具有强烈圆偏振的亮绿光——这种效果迄今为止在半导体中很难实现，”埃因霍温理工大学的共同第一作者Marco Preuß说道。“TAT 的结构允许电子有效移动，同时影响光的发射方式。”

通过改进 OLED 制造技术，研究人员成功将 TAT 融入到工作圆偏振 OLED (CP-OLED) 中。这些设备表现出破纪录的效率、亮度和偏振水平，成为同类产品中最好的。

“我们基本上重新设计了制造智能手机中 OLED 的标准配方，使我们能够将手性结构困在稳定的非结晶基质中，”共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的 Rituparno Chowdhury 说道。“这为制造圆偏振 LED 提供了一种实用的方法，而这长期以来一直是该领域的难题。”

这项工作是弗伦德研究小组与埃因霍温理工大学伯特·梅耶尔教授小组数十年合作的一部分。“这是制造手性半导体的真正突破，”梅耶尔说。“通过精心设计分子结构，我们将结构的手性与电子的运动结合起来，这是以前从未在这种水平上做到过的。”

手性半导体代表着有机半导体领域的进步，目前有机半导体支撑着价值超过 600 亿美元的产业。除了显示器之外，这一发展还对量子计算和自旋电子学有影响——自旋电子学是利用电子自旋或固有角动量来存储和处理信息的研究领域，可能带来更快、更安全的计算系统。

这项研究得到了欧盟居里夫人培训网络和欧洲研究理事会的部分支持。

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