أثناء تشغيل الترانزستور، تتشكل قناة ثقب، بينما تتكون طبقة كهربائية مزدوجة ناتجة عن الكاتيونات
طوّر باحثون من جامعة سيول الوطنية ترانزستورًا عضويًا باعثًا للضوء يعمل بجهد منخفض للغاية، قادرًا على معالجة الإشارات وتخزين البيانات وإصدار الضوء في آنٍ واحد ضمن جهاز شبه موصل واحد. ومن خلال إدخال مُحسِّن لنقل الأيونات في قناة شبه الموصل البوليمري الباعث للضوء، تمكّن الفريق من تكوين طبقة كهربائية مزدوجة عند سطح التماس بين قطب المصرف والقطب، مما يسمح بحقن الإلكترونات بكفاءة عالية دون الحاجة إلى الجهود العالية أو التطعيم غير المستقر من النوع السالب (n) المستخدم في الطرق التقليدية.
ونتيجة لذلك، حافظ الجهاز على بنية بسيطة ذات طبقة نشطة واحدة مع تحقيق كل من التشغيل بجهد منخفض وانبعاث ضوء واسع ومثبت مكانيًا، إلى جانب وظائف معالجة الإشارات العصبية.
نُشر هذا العمل في مجلة Nature Materials.
تتطور الإلكترونيات القابلة للارتداء بسرعة لتتجاوز الساعات الذكية والنظارات الذكية إلى منصات سهلة الاستخدام من الجيل التالي، مع توسع مستقبلي نحو الأجهزة التي توضع على الجلد والأجهزة القابلة للزرع.
على وجه الخصوص، تعتبر الأجهزة القابلة للارتداء على الجلد، إلى جانب تقنيات أشباه الموصلات المتكاملة التي تجمع بين وظائف الاستشعار ومعالجة الإشارات والذاكرة والعرض في منصة واحدة، بمثابة تقنيات تمكينية رئيسية للرعاية الصحية من الجيل التالي وصناعة الإلكترونيات المستقبلية.
في الآونة الأخيرة، تطورت الإلكترونيات القابلة للارتداء لتتجاوز مجرد الكشف عن الإشارات الحيوية البسيطة نحو معالجة الإشارات وتصويرها في الوقت الحقيقي.
مع ذلك، وحتى الآن، كانت هذه الوظائف تُنفذ عادةً باستخدام أجهزة متصلة منفصلة، مما ينتج عنه هياكل معقدة، ومكونات ضخمة وصلبة، واستهلاك عالٍ للطاقة. لذا، أصبح دمج وظائف متعددة ضمن بنية جهاز بسيطة تحديًا كبيرًا.
1. لماذا تقصر الأجهزة الحالية؟
لقد حظيت الترانزستورات العضوية الباعثة للضوء باهتمام كبير باعتبارها مرشحة واعدة للإلكترونيات القابلة للارتداء من الجيل التالي لأنها تستطيع الجمع بين وظائف الترانزستور والصمام الثنائي الباعث للضوء في جهاز واحد.
ومع ذلك، تتطلب الترانزستورات العضوية التقليدية ذات بنية الأقطاب الجانبية جهد تشغيل عالي يتراوح من 80 إلى 180 فولت بسبب المسافة الطويلة بين الأقطاب وحاجز حقن الإلكترون الكبير.
حتى عند استخدام التطعيم الأيوني الكهروكيميائي لخفض جهد التشغيل، لا يزال هناك حاجة إلى أكثر من 3.5 فولت، وتبقى منطقة الانبعاث ضيقة وغير مستقرة، مما يحد من الاستخدام العملي في الشاشات الحقيقية والأنظمة الإلكترونية الذكية القابلة للارتداء.
2. كيف يعمل الترانزستور الجديد
قام فريق البحث بتطوير ترانزستور عضوي باعث للضوء يعمل بجهد منخفض للغاية، ويدمج معالجة الإشارات والذاكرة وانبعاث الضوء داخل ترانزستور عضوي واحد.
من خلال دمج مُحسِّن نقل الأيونات في الطبقة النشطة لتحفيز تكوين طبقة مزدوجة كهربائية عند واجهة القطب الكهربائي، قدم الفريق آلية جديدة لحقن الإلكترون بكفاءة دون الاعتماد على الفولتية العالية أو التطعيم غير المستقر المستخدم في الأساليب التقليدية.
وقد مكّن هذا من انبعاث الضوء حتى عند الفولتية < 3.5 فولت، والتي كانت تعتبر سابقًا منخفضة جدًا للتشغيل، مع الحفاظ على منطقة انبعاث واسعة ومستقرة.
كما أظهر الجهاز خصائص معالجة الإشارات والذاكرة، حيث تتراكم الاستجابات تحت تأثير المحفزات المتكررة ويتم الاحتفاظ بها بمرور الوقت، وتم إثبات ذلك بشكل أكبر في نظام عرض مرن قابل للارتداء يعمل ببطاريتين فقط بقوة 1.5 فولت.
تُظهر هذه الدراسة أنه يمكن تحقيق انبعاث ضوئي مستقر ووظائف ذكية في وقت واحد حتى في بنية بسيطة ذات طبقة نشطة واحدة، مما يوسع بشكل كبير إمكانات الترانزستورات العضوية للتطبيقات القابلة للارتداء.
3. التأثير المحتمل على الأجهزة القابلة للارتداء
تكتسب هذه الدراسة أهمية كبيرة لأنها تدمج معالجة الإشارات والذاكرة وانبعاث الضوء في جهاز واحد، مما يقلل من قيود الأنظمة الإلكترونية القابلة للارتداء التقليدية التي تتطلب تصنيع مكونات منفصلة متعددة وربطها ببعضها البعض.
وعلى وجه الخصوص، من خلال إظهار الاستجابات التراكمية والاحتفاظية لمحفزات الإدخال، فإنها تسلط الضوء على إمكانات الجيل القادم من الإلكترونيات التي يمكنها معالجة المعلومات وعرض النتيجة على الفور من خلال الضوء.
في حين أن الأجهزة القابلة للارتداء التقليدية تجعل من الصعب على المستخدمين التحقق من الإشارات المقاسة في الوقت الفعلي أثناء الحركة، فإن هذه التقنية تشير إلى المراقبة في الوقت الفعلي وتقديم المعلومات بشكل فوري.
ومن المتوقع أن يتم توسيع نطاقها لتشمل تطبيقات مثل إعادة التأهيل، ورعاية المرضى في حالات الطوارئ، ومراقبة التمارين الرياضية، والإلكترونيات التي توضع على الجلد، والرعاية الصحية الذكية، وقد تكون بمثابة تقنية تمكينية رئيسية للصناعات ذات الصلة.
أظهر البروفيسور تاي وو لي قدرة تنافسية بحثية رائدة عالميًا من خلال منشورات متتالية في مجلتي Science و Nature في عام 2026.
يتجاوز هذا العمل أجهزة انبعاث الضوء التقليدية من خلال دمج انبعاث الضوء ومعالجة الإشارات ووظائف الذاكرة في جهاز أشباه موصلات واحد بجهد منخفض، مما يمثل اتجاهًا جديدًا للإلكترونيات الذكية القابلة للارتداء من الجيل التالي.
قال البروفيسور تاي وو لي، الذي قاد الدراسة: "هذا العمل ذو أهمية خاصة لأنه يوضح أنه يمكن دمج جميع الوظائف داخل جهاز أشباه موصلات واحد، دون الحاجة إلى تصنيع وتوصيل وحدات المعالجة والذاكرة والعرض بشكل منفصل".
وأضاف: "نخطط في المستقبل لتطوير هذه التقنية لتصبح منصة أشباه موصلات توضع على الجلد، قابلة للتطبيق على الجلد الاصطناعي الذكي والرعاية الصحية القابلة للارتداء".
وتكتسب هذه التقنية أهمية خاصة أيضاً لأنها تتجاوز أشباه الموصلات التقليدية الباعثة للضوء من خلال إظهار تعدد الوظائف في جهاز واحد من أشباه الموصلات منخفضة الجهد.
وبهذا المعنى، فإنها تمثل اتجاهاً جديداً للإلكترونيات الذكية القابلة للارتداء على الجلد والتي تتيح التفاعل في الوقت الفعلي بين البشر والآلات.
تاريخ النشر: 22 يونيو 2026