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　　北(bei)京時間2023年1月19日，電子(zi)科(ke)(ke)技(ji)大學(xue)測(ce)試技(ji)術與(yu)儀(yi)器研(yan)究所程玉(yu)華教(jiao)授課題組在(zai)全球頂級科(ke)(ke)研(yan)期刊(kan)Nature（《自(zi)(zi)然》）上以“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”為(wei)題，發表了(le)在(zai)有機電化(hua)(hua)學(xue)晶體(ti)管及其互補電路方(fang)面的最(zui)新研(yan)究成果(guo)。該研(yan)究針對測(ce)試數(shu)據的源頭基礎器件，首次提(ti)出了(le)一(yi)種基于紫外光固化(hua)(hua)溝道的新型垂直結構，破解了(le)電化(hua)(hua)學(xue)晶體(ti)管大規模(mo)可靠制備(bei)的世界(jie)性難題，是新型傳感和(he)精密測(ce)試領域的重大突破。電子(zi)科(ke)(ke)技(ji)大學(xue)自(zi)(zi)動化(hua)(hua)工程學(xue)院黃偉為(wei)該文第(di)一(yi)作(zuo)(zuo)者(zhe)，程玉(yu)華、Tobin J. Marks及Antonio Facchetti等(deng)為(wei)共同通訊作(zuo)(zuo)者(zhe)，電子(zi)科(ke)(ke)技(ji)大學(xue)自(zi)(zi)動化(hua)(hua)工程學(xue)院為(wei)第(di)一(yi)完成單(dan)位，美國(guo)西北(bei)大學(xue)、云(yun)南大學(xue)、浙江大學(xue)等(deng)為(wei)合作(zuo)(zuo)參(can)與(yu)單(dan)位。

　　有機電化(hua)學晶(jing)體管(guan)（OECT）及其(qi)電路得益于其(qi)超低的(de)(de)驅動電壓(ya)（<1 V）、低功耗（<1>10 mS）及生物相容性(xing)等優勢，能廣(guang)泛應(ying)(ying)用(yong)于下一(yi)代智能傳感(gan)、生物電子、可穿戴電子和人工神經態電子中。然而，當(dang)前基于常規平面結(jie)構的(de)(de)OECT尚存在一(yi)系列問題，包括較差的(de)(de)器件穩(wen)定(ding)性(xing)、較慢(man)的(de)(de)電化(hua)學反(fan)應(ying)(ying)及開關(guan)速度、較低的(de)(de)集成(cheng)密度和極(ji)差的(de)(de)N型(xing)器件性(xing)能，因此極(ji)大限制(zhi)了其(qi)進一(yi)步的(de)(de)發展與集成(cheng)應(ying)(ying)用(yong)。

圖(tu)1. 常規平面結(jie)構(gou)示意圖(tu)及本文垂直(zhi)結(jie)構(gou)及垂直(zhi)堆疊電路示意圖(tu)

　　面對上述挑戰，研(yan)究團隊利用納米限(xian)域下離子偏移增強的(de)新(xin)機制，采(cai)用一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)獨(du)創的(de)垂直結構，即垂直堆疊(die)的(de)致密源漏金(jin)電(dian)極(ji)間(jian)的(de)溝(gou)道(dao)由一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)具有電(dian)化學(xue)(xue)活性的(de)聚合物半導體(ti)和(he)另一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)電(dian)化學(xue)(xue)穩定且可(ke)光(guang)刻的(de)聚合物絕緣體(ti)復合構成(cheng)，實現了可(ke)大規模(mo)制備(bei)的(de)具有高度匹配(pei)P/N型性能的(de)OECT，有效攻克了前述OECT存在的(de)一(yi)系列問題(ti)。

圖2. 本(ben)文vOECT器件結構表(biao)征及其性(xing)能與文獻數據(ju)的對比。

　　該(gai)種(zhong)垂(chui)直型OECT（vOECT）在(zai)低于0.7 V的(de)驅動(dong)電壓(ya)下(xia)具有高于1 kA/cm2的(de)電流密度、高達0.4 S的(de)跨導(dao)、快于1 ms的(de)開(kai)關速率(lv)及超過5萬次的(de)穩定循(xun)環，在(zai)器件性能指標(biao)上全(quan)面超越了現有OECT。基于此，可進(jin)一步構建三(san)維垂(chui)直堆疊的(de)互補(bu)電路，在(zai)更小的(de)單位尺寸上進(jin)一步提升電路集成(cheng)密度；且其(qi)具有在(zai)0.7 V驅動(dong)電壓(ya)下(xia)近150的(de)電壓(ya)增益，遠高于當(dang)前報道的(de)各類基于OECT的(de)反相器；該(gai)vOECT還(huan)可以集成(cheng)到振蕩器、各類邏輯門等更加復雜的(de)電路中。

圖(tu)3. 基于本文(wen)vOECT構建的垂直(zhi)電路及(ji)其輸出特(te)性

　　該(gai)研(yan)究(jiu)分別在P型及N型OECT中實現了(le)跨(kua)導10多(duo)倍和近1000倍的(de)(de)指標提升(sheng)，且(qie)將(jiang)N型OECT中最高千次的(de)(de)循環穩定性提升(sheng)到了(le)五萬次以(yi)上，并實現了(le)P/N型OECT在跨(kua)導、穩定性、開關速率、集成密(mi)度(du)、制備成本及工藝可靠性方面(mian)的(de)(de)全(quan)面(mian)超(chao)越。該(gai)項研(yan)究(jiu)成果將(jiang)為眾多(duo)應用開辟(pi)全(quan)新的(de)(de)檢測/監測/處(chu)理手(shou)段和系統(tong)解決(jue)方案(an)，在亟需小體積、高跨(kua)導、低功(gong)耗智(zhi)能(neng)傳感(gan)元件的(de)(de)領域（如疾(ji)病早(zao)期(qi)診斷、健康(kang)管理、腦機接口、可植入可穿戴電(dian)子(zi)、機能(neng)修復(fu)與增強以(yi)及柔(rou)性智(zhi)能(neng)機器人(ren)等）發揮重(zhong)要作用，并為拓展下一代柔(rou)性可拉(la)伸集成電(dian)路提供新的(de)(de)設計(ji)理念。

　　此項成(cheng)(cheng)果(guo)(guo)依(yi)托于電(dian)子(zi)(zi)科技(ji)(ji)(ji)大學(xue)(xue)(xue)測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)與(yu)儀(yi)器研究所(suo)，該(gai)研究所(suo)是國(guo)(guo)家(jia)電(dian)子(zi)(zi)測試儀(yi)器的(de)定(ding)點骨干研制單(dan)位(wei)(wei)，通(tong)用(yong)電(dian)子(zi)(zi)測試儀(yi)器國(guo)(guo)家(jia)標準的(de)制定(ding)單(dan)位(wei)(wei)。團隊在(zai)(zai)王厚軍教授和黃(huang)建國(guo)(guo)教授的(de)帶領(ling)(ling)下(xia)，通(tong)過產學(xue)(xue)(xue)研一(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)自主創(chuang)(chuang)新(xin)體(ti)(ti)系(xi)(xi)，已形成(cheng)(cheng)從器件(jian)、整機到(dao)系(xi)(xi)統的(de)完整測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)鏈，產生(sheng)了(le)多(duo)項國(guo)(guo)際先進(jin)并填補國(guo)(guo)內(nei)空(kong)白(bai)的(de)先進(jin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)成(cheng)(cheng)果(guo)(guo)。近年(nian)來(lai)，團隊努力開(kai)辟新(xin)型傳感(gan)器方(fang)(fang)向，該(gai)方(fang)(fang)向面(mian)向國(guo)(guo)家(jia)重(zhong)大需求(qiu)不斷催生(sheng)高(gao)顯示度研究成(cheng)(cheng)果(guo)(guo)，多(duo)次在(zai)(zai)國(guo)(guo)際頂級學(xue)(xue)(xue)術(shu)(shu)(shu)期刊發表重(zhong)要(yao)原創(chuang)(chuang)性成(cheng)(cheng)果(guo)(guo)，獲得(de)了(le)包括(kuo)國(guo)(guo)家(jia)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)發明(ming)獎(jiang)、何梁何利(li)科技(ji)(ji)(ji)創(chuang)(chuang)新(xin)獎(jiang)、科學(xue)(xue)(xue)探索獎(jiang)在(zai)(zai)內(nei)的(de)多(duo)項重(zhong)要(yao)科技(ji)(ji)(ji)獎(jiang)勵，并入選國(guo)(guo)家(jia)級科技(ji)(ji)(ji)創(chuang)(chuang)新(xin)團隊。本項研究進(jin)一(yi)(yi)步解決了(le)我國(guo)(guo)有機電(dian)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)晶(jing)體(ti)(ti)管設計(ji)與(yu)制備領(ling)(ling)域(yu)的(de)卡脖子(zi)(zi)關鍵技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，是新(xin)型傳感(gan)器件(jian)領(ling)(ling)域(yu)的(de)一(yi)(yi)項重(zhong)大突破，彰顯出學(xue)(xue)(xue)校和團隊在(zai)(zai)該(gai)領(ling)(ling)域(yu)的(de)國(guo)(guo)際引領(ling)(ling)作用(yong)。