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塑料代替硅:成就电子领域廉价环保新时代

  “这是一个前途光明的技术,”美国标准与技术研究院高新技术电子与光子研究组组长Michael Schen说,“我们已经得知,塑料的应用前景非常广阔,包括晶体管、电子电路、光电池、发光显示器等都可涉及。”而且,塑料的优点很多——研究人员发现,在许多情况下,塑料可用来代替硅,而且更安全、更廉价、更轻便。

  塑料虽广泛应用于现代生活的每个角落,但因其分子特性使它无法导电,至今还未能在电子领域得到广泛应用,用途仅局限于计算机外壳和电线绝缘层。但是,随着近几年科技的发展,研究人员发现,塑料聚合物经过处理后,也可以用来制造晶体管、导体及其他电子元器件。相对于硅,塑料具有安全、廉价、轻便等特性。基于这些特性,一旦替代技术成熟,将给电子元器件领域带来巨大的影响。

塑料可以替代硅制造芯片

  更安全环保

  由塑料制成的电子所涉及的有害化合物和材料比传统技术要少得多。以硅为例,硅及硅基元器件的生产制造要耗用大量的水及经过300-500℃的高温处理;在生产过程中要使用多种溶剂,包括毒性极强的二甲苯和甲苯。据统计,半导体工业每年都要消耗数十万加仑的溶液。与硅生产相反,塑料元器件的制造环保得多。根据剑桥显示器技术公司业务发展部副主任Stewart Hough的介绍,该公司可以在常压不超过150℃的条件下生产以上器件。尽管该公司的技术也要使用溶液,但是,实际情况显示,生产10000个显示器只需使用一升标准有机溶剂。另外,亚利桑那大学光学中心副教授Bernard Kippelen认为,设计出一种可以在毒性更小的溶剂中溶解的有机物是可能的。

  更廉价

  尽管各类塑料聚合物的成本存在很大差异,但是其生产成本低廉无可厚非。Kippelen说,“经过调整后,亚利桑那大学光学中心的涂膜机可以以1美分每平方米的成本在柔韧的塑料基材上涂厚度仅为10纳米的多层金属或有机层,与此相比,生产1平方厘米硅基材的价格大约为1美元,相差100倍。”另外,有机电子生产与塑料基材相容性高,这意味着可以使用价格更低的基材,并且适用于大面积的应用。例如,用于指纹识别装置的1平方厘米的高纯度硅片价格不菲,因为对于高纯度硅来说这已经是相当大的面积了,但是对于塑料来说,就没有此种限制。

  更轻便

  “塑料光电池的重量比硅基光电池轻100倍”,一个简单的例子就能看出塑料聚合物的优点。但这并不是最重要的。与硅相比,塑料的柔韧、可折叠才是重中之重。试想一下有这么一套系统:“当购物者在超市购物时,该系统能对购物者所选择的商品进行跟踪和记录,并将有关信息传送到结账柜台的终端。这样,当顾客到柜台结账时,账单已经出来了。”要建立一套这样的系统,每件商品上都要贴上一个标签——这个标签必须轻、柔软、耐用,当然还要便宜——这就是塑料芯片的应用。

  目前,塑料代替硅技术已在计算机显示器等设备上应用。美国新泽西州的寰宇显示器公司与普林斯顿大学和南加州大学成立联合研究小组进行技术研发,已生产轻薄、便于携带、可弯卷的OLED显示器。另外,飞利浦公司也开发出了一款塑料计算机显示屏,采用塑料基半导体。由于需要较少的生产工序,对“清洁房”环境没有要求,生产塑料芯片要比生产硅芯片简单得多,这种工艺更适合生产灵活的大屏幕显示器。

  使用塑料代替硅技术,在不久的将来,我们就能看到像钱包一样可折叠的超轻型便携式电子设备,或者是柔软的有源显示器:大小与质感类似乙烯基遮光窗帘,打开可以观看,收拢则可以存储。等到技术使用成熟,砷(主要用于半导体生产)、磷化氢(主要用于晶体管生产)、铅(主要用于传统阴极射线管CRT的磷光漆)以及汞(主要用于背光源)等现在主要的半导体材料将一去不复返,并且将给电子领域带来巨大改革和影响。

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