Разработан первый в мире транзистор, управляемый теплом

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.