Традиционные
транзисторы, которые регулируют силу проходящего тока в большинстве
электронных устройств, работают за счёт колебаний электрического
напряжения. Их можно сравнить с кнопками, которые нажимаются не пальцем,
а слабым электрическим сигналом. В результате генерируется более мощный
сигнал, который и используется различными приборами.
Шведские учёные впервые создали
транзистор из органического материала, работой которого управляет не
электричество, а температура. Необычный подход открывает дорогу для
создания самых чувствительных приборов ночного видения и умных
медицинских повязок, которые будут отслеживать процесс заживления ран.
Попытки использовать для питания транзисторов термоэлектрические материалы,
в которых разность потенциалов возникает при изменении температуры,
предпринимались и ранее. Но в традиционных термоэлектриках напряжение
невелико. Поэтому, чтобы создать сигнал, достаточный для включения
транзистора, приходилось создавать целую цепочку таких элементов.
Последнее неизбежно приводит к увеличению размеров микросхем, а значит,
влияет на габариты потенциальных приборов.
Около года назад группа шведских учёных из Линчёпингского университета разработала электролит, содержащий раствор полимерного вещества полиэтиленоксида.
Когда в раствор добавляли гидроксид натрия, его отрицательно заряженные
гидроксильные ионы объединялись с протонами спиртовых групп полимера,
оставляя в растворе подвижные положительно заряженные ионы натрия и
стабильные отрицательно заряженные полимерные цепи.
Когда электролит нагревали с одного
конца, лёгкие ионы натрия перетекали в более холодную область быстрее,
чем громоздкие нити полимера. В итоге возникала разность потенциалов с
отрицательным зарядом на горячем конце и положительным на холодном. При
этом термоэлектрический эффект оказался в сто раз выше, чем в
большинстве известных термоэлектрических материалов.
В своих предыдущих работах команда под руководством Дань Чжао (Dan Zhao) и Ксавье Криспина (Xavier Crispin) помещала раствор между двумя электродами для получения термоэлектрического конденсатора – устройства, которое ночью производит энергию, которую затем расходует в течение дневного времени.
"Когда мы показали, что конденсатор работает, мы стали искать другие области применения нового электролита", – говорит Криспин.
В новом исследовании учёные разместили свой суперконденсатор внутри полимерного полевого транзистора, где он играет роль затвора, разделяя области истока и стока электрического заряда.
Обычно затвор открывается при подаче
слабого электрического сигнала, и носители заряда устремляются по
открывшемуся каналу от истока к стоку. Но в данном случае роль
спускового крючка играет температура. Нагревая один из электродов
конденсатора, учёные изменяют сопротивление затвора и таким образом
открывают канал транзистора. При этом заметное изменение тока в
конденсаторе происходит при изменении температуры всего на один градус.
То есть повышенная чувствительность устройства снимает необходимость
использовать вереницы термоэлектрических элементов.
Важной особенностью полимерных
термоэлектрических транзисторов является их гибкость и способность к
растяжению. В будущем огромные массивы крошечных элементов вполне могут
быть напечатаны на эластичной подложке для создания "электронной кожи".
Сеть датчиков, нанесённых на тело человека, будет способна в реальном
времени составлять температурные карты тела и наблюдать за процессом
заживления ран.
Подробные результаты нового исследования опубликованы в издании Nature Communications.
Развивающаяся семимильными шагами
электроника требует всё более совершенных, миниатюрных и эффективных
транзисторов. Так, ведутся разработки устройств на основе графена, его аналога силицена, углеродных нанотрубок, разнообразных органических материалов. Также одним из важнейших направлений в этой области является разработка транзисторов для носимых устройств, способных растягиваться и адаптироваться к телу.
