可穿戴電子設備面臨的關鍵問題是需要同時實現柔性、低功耗以及微弱信號的放大。有機分子由于材料的可設計性和本征柔性，一直是可穿戴電子的有力競爭者。制備高性能、高增益、低功耗的有機晶體管及電路是有機電子領域的難點。

在過去的幾十年里，從材料設計合成到器件和集成電路，有機電子都取得了顯著的進展。目前，OLED已經廣泛應用于商業化的移動終端顯示。

然而，仍然存在多個挑戰阻礙了有機電子器件的進一步發展與應用。第一，有機半導體的遷移率普遍低于無機半導體，導致晶體管跨導和開態電流較低；第二，垂直方向的電荷傳輸和傳統加工工藝引入的較高接觸電阻，使得其難以應用于高頻領域；第三，非理想的器件開關性能，限制了有機器件在電池和無線供電等低功耗場景的應用。 南京大學王欣然教授課題組與香港大學陳國梁教授課題組合作，結合液相法制備的大面積單層有機薄膜、具有負電容效應的鐵電柵介質和無損傷的范德華集成工藝，成功制備了本征增益達5.3×104的有機薄膜晶體管。

在此基礎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工作電壓下達到了1.1×104，是目前報道的最高值。進一步，集成實現了鈕扣電池供電的柔性放大器芯片，可用于人體心電信號的檢測與放大。該芯片可以將人體心電信號放大超過300倍，并保持高保真度，其檢測微弱心電信號（如房顫波）的能力甚至超過當前醫用的臨床設備。該研究成果于2021年3月26日以“Sub-thermionic， ultra-high-gain organic transistors and circuits”為題發表于Nature Communications。

圖1：基于晶圓尺寸單層有機分子薄膜的亞熱電子晶體管。

與二維層狀原子晶體相似，由于層間和層內分子之間相互作用的各向異性，許多有機晶體也具有層狀結構。研究團隊通過優化溶液剪切法，成功地獲得了晶圓尺寸均勻的單層有機薄膜（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器件與電路。

研究團隊開發出了一種無溶劑、低損耗的器件制備工藝，可以簡單地將圖形化的金屬電極轉移到有機薄膜上。與傳統的圖形化和金屬蒸發工藝不同，該工藝可以保護相對脆弱的有機薄膜免受溶劑、高能金屬顆粒和電子束輻射的影響，實現了高質量的金屬-有機半導體界面和小于60Ωcm的超低接觸電阻。

降低晶體管功耗的關鍵是降低工作電壓，這最終受限于“開”態和“關”態之間過渡區域的陡峭程度，即亞閾值擺幅（SS）。由于玻爾茲曼極限的限制，室溫下常規晶體管的SS被限制在60mV/dec之上。針對這個問題，研究團隊將鐵電氧化物引入有機晶體管結構中。負電容效應可以突破玻爾茲曼極限，并實現亞熱電子（低于60mV/dec）開關（圖1d，e）。此外，負電容效應理論上可提供無限大的輸出電阻，這是有助于實現超高本征增益（與輸出電阻和跨導成正比）的關鍵參數。

圖2：超高增益有機放大器。

基于亞熱電子單層有機晶體管，研究團隊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、高增益有機電路的集成式生物傳感。

研究團隊還成功實現了超高增益有機晶體管和放大器的柔性化（圖3a），其性能隨彎曲不發生顯著退化。基于該技術，研究團隊集成化了1.5V鈕扣電池供電的柔性放大器芯片（圖3b），并成功應用于人體心電、脈搏等微弱信號的放大與檢測。該芯片可以將心電信號放大超過300倍，并保持高保真度，在臨床實驗中檢測出了微弱的房顫波信號，甚至優于當前醫用的臨床設備（圖3e）。在人體脈搏信號的檢測中，該芯片將脈搏信號放大900倍以上，在低電壓下展現了優異的模擬信號放大性能。

該研究表明，亞熱電子有機晶體管技術有望應用于電池供電的連續健康監測，未來可以通過集成無線數據傳輸，進行云端的實時診斷。南京大學王欣然教授與香港大學陳國梁教授為論文的共同通訊作者。南京大學羅中中博士、香港大學彭博宇博士、南京大學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科學院微電子研究所劉明院士、李泠研究員，清華大學馮雪教授，南京大學施毅教授、潘力佳教授、何道偉副教授，南京大學附屬鼓樓醫院謝峻主任、史冬泉主任，天津大學黃顯教授，香港城市大學陸洋教授等給予的大量支持和幫助。

原文標題：Nat. Commun.： 單層分子薄膜的超高增益晶體管及電路

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責任編輯：haq