2023年电子科技大学首篇Nature

有机电化学晶体管(OECTs)和基于OECT的电路由于其极低的驱动电压(<1 V)、低功耗(<1µW)、高跨导(>10 mS)和生物兼容性，在生物电子学、可穿戴电子器件和人工神经形态电子器件方面具有巨大潜力。然而，关键互补逻辑OECT的成功实现目前受到时间和/或操作不稳定性、缓慢的氧化还原过程和/或切换、与高密度单片集成的不兼容以及较差的n型OECT性能的限制。

2023年1月18日，电子科技大学程玉华，黄伟，美国西北大学Tobin J. Mark、Antonio Facchetti及Zheng Ding共同通讯在Nature 在线发表题为“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”的研究论文，该研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成离子渗透半导体通道，实现在一个简单的、可伸缩的垂直结构中，该结构具有密集的、不透水的顶部接触。

该研究是第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1kA cm−2的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。这种架构为有机半导体氧化还原化学和物理的基础研究提供了许多可能性，在纳米尺度的密闭空间中，没有宏观电解质接触，以及可穿戴和可植入设备的应用。

有机电化学晶体管(OECTs)由于其驱动电压低、功耗低、跨导率高以及在机械柔性平台上易于集成等优点，在生物电子学、可穿戴电子学和神经形态电子学领域具有广泛的应用前景。

然而，OECT的进一步进展面临挑战。(1)尽管取得了进展，但与空穴传输(p型)相比，较差的电子传输(n型)OECT性能(大约低1000倍的跨导和/或电流密度)，阻碍了生物传感器开发中对体内相关分析物阳离子(例如，Na+， K+， Ca2+， Fe3+和Zn2+)的互补逻辑和敏感性的发展。(2)时间和/或操作的不稳定性阻碍了所有可能的应用。(3) p型和n型OECT性能的不平衡阻碍了集成到互补电路中。(4)缓慢的氧化还原过程导致开关缓慢。(5)最先进的传统OECTs (cOECTs)具有平面源漏电极结构，需要最多10µm的小通道长度(L)，以及精确的半导体层和无源材料电极涂层，以实现高跨导(gm)和快速开关(大约在毫秒范围内)，需要复杂的制造方法。

制作方案和使用的vOECT材料（图源自Nature ）

请注意，传统光刻只能可靠地实现大于1µm的特征，尽管印刷和激光切割提供了简化的cOECT制造，但这是以牺牲性能为代价的。此外，为了增加gm, OECT通常使用较厚的半导体薄膜，这不可避免地影响了开关速度，因为高gm值需要电解质和大块半导体之间进行有效的离子交换。因此，如果材料设计没有进展，特别是对于n型半导体，以及新器件架构的实现，OECT应用的范围将仍然有限。

该研究展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成离子渗透半导体通道，实现在一个简单的、可伸缩的垂直结构中，该结构具有密集的、不透水的顶部接触。

该研究是第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1kA cm−2的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。这种架构为有机半导体氧化还原化学和物理的基础研究提供了许多可能性，在纳米尺度的密闭空间中，没有宏观电解质接触，以及可穿戴和可植入设备的应用。

转自：“iNature”微信公众号

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