長(zhǎng)期以來(lái)，大規(guī)模可靠制備高性能有機(jī)電化學(xué)晶體管（organic electrochemical transistor，OECT）是領(lǐng)域內(nèi)的瓶頸問(wèn)題。
相對(duì)于普通的薄膜晶體管，要實(shí)現(xiàn)高性能的 OECT，需要對(duì)器件進(jìn)行嚴(yán)格封裝和圖案化，以盡量避免電解質(zhì)和源漏電極的直接接觸產(chǎn)生寄生電容，這直接導(dǎo)致了冗長(zhǎng)的制備流程、高昂的制備成本等系列問(wèn)題。另外，OECT 在穩(wěn)定性和 N 型性能上亟需大幅提升，以契合產(chǎn)業(yè)化需求。
圖丨有機(jī)電化學(xué)晶體管的互補(bǔ)電路三維堆疊結(jié)構(gòu)效果圖（來(lái)源：電子科技大學(xué)）
近期，電子科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“電子科大”）和美國(guó)西北大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)了一種兼容低成本制備流程的新型垂直結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有更小體積、更高跨導(dǎo)、更優(yōu)循環(huán)特性的 OECT。
具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)，在相同面積下，實(shí)現(xiàn)了 N 型器件跨導(dǎo) 1000 余倍的提升（即實(shí)現(xiàn)相同跨導(dǎo)，器件面積可縮小 1000 余倍）；在低于 0.7V 的驅(qū)動(dòng)電壓下，實(shí)現(xiàn)了 5 萬(wàn)次以上的穩(wěn)定循環(huán)。
該研究解決了 OECT 在性能、集成度及穩(wěn)定性方面的系列問(wèn)題，為 OECT 的大規(guī)模可靠制備及應(yīng)用拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
審稿人對(duì)該論文評(píng)價(jià)道：“本文展示了基于 P 型和 N 型 OECT 垂直架構(gòu)的有趣示例。結(jié)果是原始的、新穎的，同時(shí) N 型和 P 型特性非常平衡且特別穩(wěn)定。”
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）
相關(guān)論文以《用于互補(bǔ)電路的垂直有機(jī)電化學(xué)晶體管》（Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits）為題發(fā)表在 Nature 上[1]。
電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院黃偉教授為該論文的共同一作兼通訊作者，程玉華教授、美國(guó)西北大學(xué)安東尼奧·法切蒂（Antonio Facchetti）教授、托賓?J?馬克斯（Tobin J. Marks）教授及鄭丁研究助理教授為論文共同通訊作者。
N 型 OECT 循環(huán) 5 萬(wàn)次仍無(wú)明顯衰退
此前，基于 N 型的 OECT 的循環(huán)穩(wěn)定一般不會(huì)超過(guò)千次。該研究解決最重要的難題在于其性能異常穩(wěn)定，特別是對(duì)于 N 型的 OECT，在低于 0.7V 的驅(qū)動(dòng)電壓條件下，垂直型 OECT 在循環(huán) 5 萬(wàn)次條件下仍無(wú)明顯衰退。
黃偉表示：“器件性能的數(shù)量級(jí)提升，對(duì)未來(lái)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化奠定了良好的基礎(chǔ)。”
由于制備高性能的 OECT 程序比較繁復(fù)、制備時(shí)間長(zhǎng)、制備成本也高，因此對(duì)相關(guān)設(shè)備的資金投入也會(huì)比較高。
該工藝兼容了低成本溶液制備流程，不需要比較復(fù)雜的光刻工藝（包括干法和濕法刻蝕工藝），采用直接光照交聯(lián)以及簡(jiǎn)單的金屬掩模板蒸鍍電極的方式，就可以實(shí)現(xiàn)比以前性能更優(yōu)異的晶體管性能。
特別是在單位面積的性能上，由于垂直堆疊結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，在占用同樣面積的情況下，垂直結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)對(duì)于 P 型 OECT 來(lái)說(shuō)，比平面結(jié)構(gòu)增加了十幾倍；對(duì)于 N 型 OECT 來(lái)說(shuō)，則有上千倍的增加。
黃偉指出，量級(jí)的增加意味著如果想實(shí)現(xiàn)之前的 OECT 的性能，在體積上可以做得更小。因此，對(duì)于制備輕便且高度集成的傳感器非常有優(yōu)勢(shì)。
圖丨新型垂直器件結(jié)構(gòu)表征及其性能（來(lái)源：Nature）
該研究源于黃偉在做有機(jī)電化學(xué)晶體管相關(guān)研究時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)的“反常現(xiàn)象”。有意思的是，當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)并不認(rèn)為該種垂直堆疊結(jié)構(gòu)的器件會(huì)工作，因此相關(guān)測(cè)試是作為原始參照組來(lái)進(jìn)行的。
一方面，對(duì)于有機(jī)電化學(xué)晶體管來(lái)說(shuō)，需要離子完全滲入到半導(dǎo)體中，而垂直堆疊的結(jié)構(gòu)中由于溝道完全被上電極覆蓋，離子只能從邊緣注入，這會(huì)導(dǎo)致離子傳輸路徑受限，直觀上摻雜難度極大。
黃偉指出，一般來(lái)說(shuō)，若電極直接設(shè)計(jì)在 OECT 的半導(dǎo)體上，其被離子摻雜后會(huì)導(dǎo)致明顯的微觀結(jié)構(gòu)變化，因此必然對(duì)電極的接觸造成損傷。前人做出的垂直結(jié)構(gòu)在損失部分有效溝道的前提下，采用較為復(fù)雜的光刻手段將上電極固定。
圖丨新型垂直結(jié)構(gòu)構(gòu)建的垂直電路及其輸出特性（來(lái)源：Nature）
該研究由電子科大、美國(guó)西北大學(xué)、云南大學(xué)、浙江大學(xué)等多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同完成，其中美國(guó)西北大學(xué)研究的重點(diǎn)方向是化學(xué)和材料，電子科大團(tuán)隊(duì)則偏重器件和測(cè)試方面。
黃偉表示，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得益于新材料的合成，其特點(diǎn)在于它能夠同時(shí)導(dǎo)電子（空穴）及離子，也就是說(shuō)，它的工作原理類似神經(jīng)突觸，電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)為電學(xué)信號(hào)的器件。
在課題組成員研究初期“不相信”的問(wèn)題上，審稿人也提出了同樣的疑問(wèn)：這樣的結(jié)構(gòu)得到這么好的性能，真的是因?yàn)殡x子完全注入了溝道嗎？
為了回答離子注入的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)花了很多精力不斷地設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用新材料、新結(jié)構(gòu)最終證明了該現(xiàn)象的正確性及普適性。
有望應(yīng)用于柔性電子、仿生傳感、腦機(jī)接口等領(lǐng)域
由于 OECT 具備良好的生物兼容性，因此有望應(yīng)用于柔性電子、仿生傳感、生物化學(xué)及電信號(hào)（包括腦機(jī)接口等）方向。
一方面，它的工作原理類似神經(jīng)突觸，能模擬神經(jīng)突觸的傳感功能，例如像人類皮膚那樣能感受到溫度、壓力、濕度，以及探測(cè)到心電、腦電等人體信號(hào)等。該器件由于集成度高，相對(duì)于原來(lái)的平面結(jié)構(gòu)，可在達(dá)到同樣的性能的前提下縮小千倍，有利于在探測(cè)高精度的腦部活動(dòng)或神經(jīng)活動(dòng)時(shí)避免/減小對(duì)組織的損傷。
另一方面，由于它可以做得輕便、柔軟，還可以拓展到仿生機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的傳感，以及對(duì)生命健康的探測(cè)。黃偉認(rèn)為，該技術(shù)可能最先應(yīng)用在柔性仿生傳感領(lǐng)域。
此外，由于該器件和神經(jīng)突觸類似，其也有望應(yīng)用于人工智能硬件。“它可以通過(guò)器件與器件之間相連，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這里的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于模擬生物或生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的網(wǎng)絡(luò)硬件。”黃偉說(shuō)道。
下一步，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將器件的性能、穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。目前階段，課題組成員還沒(méi)有系統(tǒng)地探討它的柔性及可拉伸特性，他們希望未來(lái)能盡量往皮膚或器官上貼合。
此外，他們將會(huì)把該新型器件與后端系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成小型、快速、準(zhǔn)確的傳感特色，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗柔性可拉伸的便攜傳感系統(tǒng)。
從光學(xué)工程到自動(dòng)化工程，致力于將研究成果進(jìn)一步集成
黃偉從南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院本科畢業(yè)后，在電子科大光電科學(xué)與工程學(xué)院完成了博士階段的學(xué)習(xí)（師從于軍勝教授），期間前往美國(guó)西北大學(xué)聯(lián)培，研究方向偏材料及器件。隨后，黃偉在西北大學(xué)材料科學(xué)與工程中心進(jìn)行了博后訓(xùn)練，并擔(dān)任研究助理教授。
隨著研究的深入，他希望能夠?qū)⒀芯砍晒M(jìn)一步推廣應(yīng)用，形成傳感設(shè)備、測(cè)試系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)研究成果的落地。因此，在西北大學(xué)進(jìn)行博后研究和擔(dān)任研究助理教授后，2021 年，他選擇回到母校電子科大任教，加入自動(dòng)化工程學(xué)院測(cè)試技術(shù)與儀器研究所。
圖丨黃偉（來(lái)源：黃偉）
此前，黃偉與團(tuán)隊(duì)解決了柔性可拉伸性與傳感信號(hào)輸出穩(wěn)定性同步提升的難題[2,3]。他們通過(guò)將先進(jìn)柔性可拉伸場(chǎng)效應(yīng)管制備技術(shù)與原位“傳感與放大一體化”集成方法的融合，進(jìn)一步結(jié)合復(fù)合互補(bǔ)電路與應(yīng)力釋放制備工藝，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜應(yīng)力條件下，針對(duì)關(guān)鍵生理參數(shù)的穩(wěn)定傳感信號(hào)輸出。
該課題組的主要研究方向集中在柔性仿生傳感技術(shù)、有機(jī)電化學(xué)晶體管以及柔性可拉伸電子器件。一方面，在基礎(chǔ)的元器件開(kāi)發(fā)上，他們期望通過(guò)引入更多性能好的傳感元器件，推進(jìn)功耗、靈敏度方面的進(jìn)展。另一方面，基于現(xiàn)有的元器件進(jìn)一步地集成和驅(qū)動(dòng)，朝著疾病診斷、健康管理等應(yīng)用方向發(fā)展。
在黃偉看來(lái)，做科研的關(guān)鍵品質(zhì)之一是長(zhǎng)期保持好奇心。因此，即便實(shí)驗(yàn)失敗了，也好奇失敗的具體原因。“科研工作者追求的并不是表面的結(jié)果，而是從現(xiàn)象背后的原理到應(yīng)用都高保真的全過(guò)程。對(duì)科學(xué)問(wèn)題的探索，我們要像挖金礦那樣直到‘挖不動(dòng)’為止。”他說(shuō)。
面對(duì)研究中失敗的結(jié)果，黃偉也有一套自己的科學(xué)價(jià)值觀。他表示，愛(ài)迪生在發(fā)明電燈泡時(shí)用了六千多種材料，嘗試了七千多次才獲得最后的成功。因此，即便有 1% 的希望，也要堅(jiān)持和勇于嘗試。
此外，他還指出，由于個(gè)人的思想和經(jīng)驗(yàn)非常局限，因此通過(guò)學(xué)科交叉定期地進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”，可以從不同的視角提出新的創(chuàng)意，這也是目前工科發(fā)展的一大特色。
參考資料：
1.Huang, W., Chen, J., Yao, Y. et al. Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits. Nature 613, 496–502 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05592-2
2.Chen, J., Huang, W., Zheng, D. et al. Highly stretchable organic electrochemical transistors with strain-resistant performance.Nature Materials 21, 564–571 (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01239-9
3.Yao,Y.,Huang,W.et,al.PNAS,118,44,e2111790118(2021). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2111790118
