亞熱電子有機(jī)晶體管技術(shù)有望應(yīng)用于電池供電的連續(xù)健康監(jiān)測(cè)

可穿戴電子設(shè)備面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)柔性、低功耗以及微弱信號(hào)的放大。有機(jī)分子由于材料的可設(shè)計(jì)性和本征柔性，一直是可穿戴電子的有力競(jìng)爭(zhēng)者。制備高性能、高增益、低功耗的有機(jī)晶體管及電路是有機(jī)電子領(lǐng)域的難點(diǎn)。

在過(guò)去的幾十年里，從材料設(shè)計(jì)合成到器件和集成電路，有機(jī)電子都取得了顯著的進(jìn)展。目前，OLED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的移動(dòng)終端顯示。

然而，仍然存在多個(gè)挑戰(zhàn)阻礙了有機(jī)電子器件的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。第一，有機(jī)半導(dǎo)體的遷移率普遍低于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，導(dǎo)致晶體管跨導(dǎo)和開態(tài)電流較低；第二，垂直方向的電荷傳輸和傳統(tǒng)加工工藝引入的較高接觸電阻，使得其難以應(yīng)用于高頻領(lǐng)域；第三，非理想的器件開關(guān)性能，限制了有機(jī)器件在電池和無(wú)線供電等低功耗場(chǎng)景的應(yīng)用。 南京大學(xué)王欣然教授課題組與香港大學(xué)陳國(guó)梁教授課題組合作，結(jié)合液相法制備的大面積單層有機(jī)薄膜、具有負(fù)電容效應(yīng)的鐵電柵介質(zhì)和無(wú)損傷的范德華集成工藝，成功制備了本征增益達(dá)5.3×104的有機(jī)薄膜晶體管。

在此基礎(chǔ)上制備了反相器和邏輯門等功能性電路，其中反相器的電壓增益在3V工作電壓下達(dá)到了1.1×104，是目前報(bào)道的最高值。進(jìn)一步，集成實(shí)現(xiàn)了鈕扣電池供電的柔性放大器芯片，可用于人體心電信號(hào)的檢測(cè)與放大。該芯片可以將人體心電信號(hào)放大超過(guò)300倍，并保持高保真度，其檢測(cè)微弱心電信號(hào)（如房顫波）的能力甚至超過(guò)當(dāng)前醫(yī)用的臨床設(shè)備。該研究成果于2021年3月26日以“Sub-thermionic， ultra-high-gain organic transistors and circuits”為題發(fā)表于Nature Communications。

圖1：基于晶圓尺寸單層有機(jī)分子薄膜的亞熱電子晶體管。

與二維層狀原子晶體相似，由于層間和層內(nèi)分子之間相互作用的各向異性，許多有機(jī)晶體也具有層狀結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化溶液剪切法，成功地獲得了晶圓尺寸均勻的單層有機(jī)薄膜（圖1a，b）。該工藝與柔性襯底完全兼容，有助于大面積制造柔性有機(jī)器件與電路。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種無(wú)溶劑、低損耗的器件制備工藝，可以簡(jiǎn)單地將圖形化的金屬電極轉(zhuǎn)移到有機(jī)薄膜上。與傳統(tǒng)的圖形化和金屬蒸發(fā)工藝不同，該工藝可以保護(hù)相對(duì)脆弱的有機(jī)薄膜免受溶劑、高能金屬顆粒和電子束輻射的影響，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的金屬-有機(jī)半導(dǎo)體界面和小于60Ωcm的超低接觸電阻。

降低晶體管功耗的關(guān)鍵是降低工作電壓，這最終受限于“開”態(tài)和“關(guān)”態(tài)之間過(guò)渡區(qū)域的陡峭程度，即亞閾值擺幅（SS）。由于玻爾茲曼極限的限制，室溫下常規(guī)晶體管的SS被限制在60mV/dec之上。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將鐵電氧化物引入有機(jī)晶體管結(jié)構(gòu)中。負(fù)電容效應(yīng)可以突破玻爾茲曼極限，并實(shí)現(xiàn)亞熱電子（低于60mV/dec）開關(guān)（圖1d，e）。此外，負(fù)電容效應(yīng)理論上可提供無(wú)限大的輸出電阻，這是有助于實(shí)現(xiàn)超高本征增益（與輸出電阻和跨導(dǎo)成正比）的關(guān)鍵參數(shù)。

圖2：超高增益有機(jī)放大器。

基于亞熱電子單層有機(jī)晶體管，研究團(tuán)隊(duì)還制備了功能性的反相器和邏輯門。在3V工作電壓下，反相器電壓增益超過(guò)1.1×104，打破了使用不同材料的類似器件的記錄（圖2）。

圖3：基于低功耗、高增益有機(jī)電路的集成式生物傳感。

研究團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)了超高增益有機(jī)晶體管和放大器的柔性化（圖3a），其性能隨彎曲不發(fā)生顯著退化?；谠摷夹g(shù)，研究團(tuán)隊(duì)集成化了1.5V鈕扣電池供電的柔性放大器芯片（圖3b），并成功應(yīng)用于人體心電、脈搏等微弱信號(hào)的放大與檢測(cè)。該芯片可以將心電信號(hào)放大超過(guò)300倍，并保持高保真度，在臨床實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)出了微弱的房顫波信號(hào)，甚至優(yōu)于當(dāng)前醫(yī)用的臨床設(shè)備（圖3e）。在人體脈搏信號(hào)的檢測(cè)中，該芯片將脈搏信號(hào)放大900倍以上，在低電壓下展現(xiàn)了優(yōu)異的模擬信號(hào)放大性能。

該研究表明，亞熱電子有機(jī)晶體管技術(shù)有望應(yīng)用于電池供電的連續(xù)健康監(jiān)測(cè)，未來(lái)可以通過(guò)集成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行云端的實(shí)時(shí)診斷。南京大學(xué)王欣然教授與香港大學(xué)陳國(guó)梁教授為論文的共同通訊作者。南京大學(xué)羅中中博士、香港大學(xué)彭博宇博士、南京大學(xué)博士生曾俊鵬和于志浩博士為論文的共同第一作者。此外，該研究還得到了中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉明院士、李泠研究員，清華大學(xué)馮雪教授，南京大學(xué)施毅教授、潘力佳教授、何道偉副教授，南京大學(xué)附屬鼓樓醫(yī)院謝峻主任、史冬泉主任，天津大學(xué)黃顯教授，香港城市大學(xué)陸洋教授等給予的大量支持和幫助。

原文標(biāo)題：Nat. Commun.： 單層分子薄膜的超高增益晶體管及電路

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