20世紀(jì)70年代以來(lái), 某些有機(jī)材料因其導(dǎo)電性和半導(dǎo)電性引起了人們的關(guān)注。此時(shí), 研究員 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid 和:Hideki Shirakawa 引領(lǐng)該領(lǐng)域的研究并獲得了2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

    基于一些有機(jī)材料對(duì)溶液處理分子或混合聚合物的方案仍在研究, 同時(shí), 這些材料也逐漸向多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域滲透。首先, 有機(jī)半導(dǎo)體材料可用于制造發(fā)光二極管, 這些發(fā)光二極管可被加工成OLED(有機(jī)發(fā)光三極管)顯示器。OLED顯示器大多是將內(nèi)容顯示在玻璃上, 而非印刷的。相反地, 這些材料還可以吸收光線并把光能轉(zhuǎn)化為熱能, 因此常被用在有機(jī)光伏電池(OPW}沖。其次, 有機(jī)材料還可以用于生產(chǎn)各種傳感器。最后, 有機(jī)半導(dǎo)體材料可用于制作薄膜晶體管(TFT), TFT有能力執(zhí)行邏輯電路和模擬電路的運(yùn)行。

     作為有機(jī)印刷標(biāo)簽的基礎(chǔ)器件, 這些印刷的有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)能夠被集成到RFID電路中。下面我們討論用于生產(chǎn) RFID標(biāo)簽的有機(jī)印刷電子技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展現(xiàn)狀。

     有機(jī)印刷電子技術(shù)具有低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)。除此之外, 與硅油墨印刷電子技術(shù)相比, 它還具有以下優(yōu)點(diǎn):

     首先, 印刷的有機(jī)標(biāo)簽對(duì)環(huán)境無(wú)污染?；谖灞骄酆衔锼芰系陌雽?dǎo)體材料被廢棄后極易被分解。這是有機(jī)標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn), 但是也被認(rèn)為是它的一個(gè)缺點(diǎn)。
     其次, 制造過(guò)程允許低溫(低于150℃)處理加工。這使得有機(jī)半導(dǎo)體能夠與柔性聚合物塑料基板相兼容, 例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN), 這些材料不耐高溫, 成本較低。

     但一些嚴(yán)重的局限性和弊端阻礙了有機(jī)印刷標(biāo)簽的應(yīng)用。
     首先, 印刷的有機(jī)晶體管與印刷的硅晶體管相比, 其電荷載流子遷移率較低,與傳統(tǒng)的單晶晶體管相比, 其載流子遷移率更低。如前所述, 遷移率是衡量晶體管性能的基本材料參數(shù), 它被定義為漂移電流密度與內(nèi)部電場(chǎng)之比。遷移率之所以是衡量電子電路的重要參數(shù), 有以下兩個(gè)原因。
1)影響整流器的性能。
2)決定晶體管的轉(zhuǎn)換速度, 因此, 最大時(shí)鐘頻率可以由標(biāo)簽電子電路實(shí)現(xiàn)。

     大多數(shù)有機(jī)電子設(shè)備都采用 p型積聚模。這種印刷晶體管的遷移率只有1c㎡/Vs。當(dāng)在室溫(300K)情況下, 在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電子中晶體硅電子遷移率為1350c㎡2/V8, 空穴遷移率約為480c㎡2/Vs。然面, 同等條件下, n型印刷的硅油墨晶體管最好的遷移率可以達(dá)到約200cm2/Vs。

     “如何使n型積聚模的有機(jī)印刷品體管獲得高遷移率”這一課題吸引了研究人員對(duì)該領(lǐng)域的研究。然面, 大多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體的電子親和力較低(3. 5~4eV)。這將使得常用二氧化硅有機(jī)半導(dǎo)體分界面的電子積累層的制定變得困難。因此, 柵極介電層的選擇變得至關(guān)重要。低遷移率致使有機(jī)印刷標(biāo)簽只能工作在低頻 (125kHx)和高頻(13. 56MHz), 并且在標(biāo)簽返回鏈路上只具備很低的數(shù)據(jù)傳輸速率。基于印刷有機(jī)標(biāo)簽的整流器最高可實(shí)現(xiàn)的頻率約為50MHz。據(jù)了解, 目前還沒(méi)有工作在特高頻段的有機(jī)印刷標(biāo)簽。

      此外, 印刷有機(jī)電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是有機(jī)材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染, 所有的這些材料都會(huì)被自然吸收。因此, 基于p型和n型的有機(jī)印刷器件對(duì)空氣中的氧氣和水分
非常敏感, 其中n型有機(jī)混合物最為顯著。暴露在空氣中的p型有機(jī)印刷器件的工作壽命只有幾個(gè)月。未密封的n型印刷設(shè)備的工作壽命只有幾小時(shí)或者幾天。有機(jī)
半導(dǎo)體壽命短、參數(shù)和性能穩(wěn)定性變差等問(wèn)題。許多研究致力于延長(zhǎng)有機(jī)器件的壽命。另一方面, 我們可以利用外露的TFT通道開(kāi)發(fā)這種敏銳的晶體管對(duì)周?chē)h(huán)境
中的氣體和氣態(tài)物質(zhì)的靈敏性, 為未來(lái)的智能標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)低成本地集成有機(jī)傳感器元件。這些應(yīng)用包括食品腐爛檢測(cè)以及新的生物傳感器。通與傳統(tǒng)的單晶集成電路一樣, 印刷的有機(jī)晶體管標(biāo)簽也面臨著低成本市場(chǎng)的封 裝和包裝的困難。
       多數(shù)企業(yè)加大人力和物力致力于有機(jī)印刷 RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用。處于該領(lǐng)域領(lǐng)先地位的 Poly IC公司于2007年推出了第一個(gè)有機(jī)印刷RFID標(biāo)簽。該標(biāo)簽通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路便可工作在13. 56MHz的高頻波段, 并具有較低功能性。該標(biāo)簽只能用于品牌保護(hù)和票務(wù)。在高頻段的標(biāo)簽獲得成功之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低頻段的有機(jī)印刷標(biāo)簽。然而, 由于低頻天線元件尺寸比高頻天線元件的大, 所以低頻段標(biāo)簽的應(yīng)用并不廣泛。飛利浦公司稱其已成功研制基于有機(jī)印刷電子的集成了1940個(gè)晶體管的64位標(biāo)簽。標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸速率為150bit/s。下一節(jié)我們將得知, 這一速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用硅油墨CMOS 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率, 其中數(shù)據(jù)通信率為106kbil/s 的標(biāo)簽也是可以實(shí)現(xiàn)的。

    由于OTFT設(shè)備的高閥值電壓工作特性, 有機(jī)半導(dǎo)體標(biāo)簽需工作在14V 電源電 壓或更高的供電系統(tǒng)。這種特點(diǎn)將基于高能耗有機(jī)TFT的標(biāo)簽歸類為感應(yīng)耦合低
頻和高頻系統(tǒng), 因此, 標(biāo)簽可滿足讀寫(xiě)器系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度能量場(chǎng)的要求。TFT 設(shè)備的關(guān)鍵性電氣參數(shù)有:門(mén)限電壓Vcs、擊穿電壓Vps、泄漏電流的漂移時(shí)間等。這些電氣參數(shù)將導(dǎo)致在進(jìn)行有機(jī)電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、可重復(fù)的操作時(shí)出現(xiàn)重大問(wèn)題。這些問(wèn)題也許不影響少數(shù)實(shí)驗(yàn)室中手工選擇的原型的研究, 但是不利于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)高收益、高可靠的印刷電路。因?yàn)橛∷㈦娐返纳a(chǎn)的批量性以及產(chǎn)品周期的變化性提出了對(duì)電子電器容許參數(shù)設(shè)計(jì)的大量需求。