長期以來，大規模可靠制備高性能有機電化學晶體管（organic electrochemical transistor，OECT）是領域內的瓶頸問題。

相對于普通的薄膜晶體管，要實現高性能的 OECT，需要對器件進行嚴格封裝和圖案化，以盡量避免電解質和源漏電極的直接接觸產生寄生電容，這直接導致了冗長的制備流程、高昂的制備成本等系列問題。另外，OECT 在穩定性和 N 型性能上亟需大幅提升，以契合產業化需求。

圖丨有機電化學晶體管的互補電路三維堆疊結構效果圖（來源：電子科技大學）

近期，電子科技大學（以下簡稱“電子科大”）和美國西北大學等團隊合作，設計了一種兼容低成本制備流程的新型垂直結構，實現了具有更小體積、更高跨導、更優循環特性的 OECT。

具體來說，相對于傳統平面結構，在相同面積下，實現了 N 型器件跨導 1000 余倍的提升（即實現相同跨導，器件面積可縮小 1000 余倍）；在低于 0.7V 的驅動電壓下，實現了 5 萬次以上的穩定循環。

該研究解決了 OECT 在性能、集成度及穩定性方面的系列問題，為 OECT 的大規模可靠制備及應用拓展奠定了堅實的基礎。

審稿人對該論文評價道：“本文展示了基于 P 型和 N 型 OECT 垂直架構的有趣示例。結果是原始的、新穎的，同時 N 型和 P 型特性非常平衡且特別穩定。”

圖丨相關論文（來源：Nature）

相關論文以《用于互補電路的垂直有機電化學晶體管》（Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits）為題發表在 Nature 上[1]。

電子科技大學自動化工程學院黃偉教授為該論文的共同一作兼通訊作者，程玉華教授、美國西北大學安東尼奧·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 5 萬次仍無明顯衰退

此前，基于 N 型的 OECT 的循環穩定一般不會超過千次。該研究解決最重要的難題在于其性能異常穩定，特別是對于 N 型的 OECT，在低于 0.7V 的驅動電壓條件下，垂直型 OECT 在循環 5 萬次條件下仍無明顯衰退。

黃偉表示：“器件性能的數量級提升，對未來技術的產業轉化奠定了良好的基礎。”

由于制備高性能的 OECT 程序比較繁復、制備時間長、制備成本也高，因此對相關設備的資金投入也會比較高。

該工藝兼容了低成本溶液制備流程，不需要比較復雜的光刻工藝（包括干法和濕法刻蝕工藝），采用直接光照交聯以及簡單的金屬掩模板蒸鍍電極的方式，就可以實現比以前性能更優異的晶體管性能。

特別是在單位面積的性能上，由于垂直堆疊結構的獨特性，在占用同樣面積的情況下，垂直結構的跨導對于 P 型 OECT 來說，比平面結構增加了十幾倍；對于 N 型 OECT 來說，則有上千倍的增加。

黃偉指出，量級的增加意味著如果想實現之前的 OECT 的性能，在體積上可以做得更小。因此，對于制備輕便且高度集成的傳感器非常有優勢。

圖丨新型垂直器件結構表征及其性能（來源：Nature）

該研究源于黃偉在做有機電化學晶體管相關研究時，偶然發現的“反常現象”。有意思的是，當時該團隊并不認為該種垂直堆疊結構的器件會工作，因此相關測試是作為原始參照組來進行的。

一方面，對于有機電化學晶體管來說，需要離子完全滲入到半導體中，而垂直堆疊的結構中由于溝道完全被上電極覆蓋，離子只能從邊緣注入，這會導致離子傳輸路徑受限，直觀上摻雜難度極大。

黃偉指出，一般來說，若電極直接設計在 OECT 的半導體上，其被離子摻雜后會導致明顯的微觀結構變化，因此必然對電極的接觸造成損傷。前人做出的垂直結構在損失部分有效溝道的前提下，采用較為復雜的光刻手段將上電極固定。

圖丨新型垂直結構構建的垂直電路及其輸出特性（來源：Nature）

該研究由電子科大、美國西北大學、云南大學、浙江大學等多個團隊共同完成，其中美國西北大學研究的重點方向是化學和材料，電子科大團隊則偏重器件和測試方面。

黃偉表示，器件結構設計得益于新材料的合成，其特點在于它能夠同時導電子（空穴）及離子，也就是說，它的工作原理類似神經突觸，電學信號轉化為化學信號，然后再轉為電學信號的器件。

在課題組成員研究初期“不相信”的問題上，審稿人也提出了同樣的疑問：這樣的結構得到這么好的性能，真的是因為離子完全注入了溝道嗎？

為了回答離子注入的問題，該團隊花了很多精力不斷地設計對比實驗，用新材料、新結構最終證明了該現象的正確性及普適性。

有望應用于柔性電子、仿生傳感、腦機接口等領域

由于 OECT 具備良好的生物兼容性，因此有望應用于柔性電子、仿生傳感、生物化學及電信號（包括腦機接口等）方向。

一方面，它的工作原理類似神經突觸，能模擬神經突觸的傳感功能，例如像人類皮膚那樣能感受到溫度、壓力、濕度，以及探測到心電、腦電等人體信號等。該器件由于集成度高，相對于原來的平面結構，可在達到同樣的性能的前提下縮小千倍，有利于在探測高精度的腦部活動或神經活動時避免/減小對組織的損傷。

另一方面，由于它可以做得輕便、柔軟，還可以拓展到仿生機器人對外界環境的傳感，以及對生命健康的探測。黃偉認為，該技術可能最先應用在柔性仿生傳感領域。

此外，由于該器件和神經突觸類似，其也有望應用于人工智能硬件。“它可以通過器件與器件之間相連，形成神經網絡。這里的神經網絡是基于模擬生物或生物的神經網絡形成的網絡硬件。”黃偉說道。

下一步，該團隊計劃將器件的性能、穩定性進一步提升。目前階段，課題組成員還沒有系統地探討它的柔性及可拉伸特性，他們希望未來能盡量往皮膚或器官上貼合。

此外，他們將會把該新型器件與后端系統進行集成，形成小型、快速、準確的傳感特色，進而實現低功耗柔性可拉伸的便攜傳感系統。

從光學工程到自動化工程，致力于將研究成果進一步集成

黃偉從南開大學物理學院本科畢業后，在電子科大光電科學與工程學院完成了博士階段的學習（師從于軍勝教授），期間前往美國西北大學聯培，研究方向偏材料及器件。隨后，黃偉在西北大學材料科學與工程中心進行了博后訓練，并擔任研究助理教授。

隨著研究的深入，他希望能夠將研究成果進一步推廣應用，形成傳感設備、測試系統，以期實現研究成果的落地。因此，在西北大學進行博后研究和擔任研究助理教授后，2021 年，他選擇回到母校電子科大任教，加入自動化工程學院測試技術與儀器研究所。

圖丨黃偉（來源：黃偉）

此前，黃偉與團隊解決了柔性可拉伸性與傳感信號輸出穩定性同步提升的難題[2,3]。他們通過將先進柔性可拉伸場效應管制備技術與原位“傳感與放大一體化”集成方法的融合，進一步結合復合互補電路與應力釋放制備工藝，實現了在復雜應力條件下，針對關鍵生理參數的穩定傳感信號輸出。

該課題組的主要研究方向集中在柔性仿生傳感技術、有機電化學晶體管以及柔性可拉伸電子器件。一方面，在基礎的元器件開發上，他們期望通過引入更多性能好的傳感元器件，推進功耗、靈敏度方面的進展。另一方面，基于現有的元器件進一步地集成和驅動，朝著疾病診斷、健康管理等應用方向發展。

在黃偉看來，做科研的關鍵品質之一是長期保持好奇心。因此，即便實驗失敗了，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果，而是從現象背后的原理到應用都高保真的全過程。對科學問題的探索，我們要像挖金礦那樣直到‘挖不動’為止。”他說。

面對研究中失敗的結果，黃偉也有一套自己的科學價值觀。他表示，愛迪生在發明電燈泡時用了六千多種材料，嘗試了七千多次才獲得最后的成功。因此，即便有 1% 的希望，也要堅持和勇于嘗試。

此外，他還指出，由于個人的思想和經驗非常局限，因此通過學科交叉定期地進行“頭腦風暴”，可以從不同的視角提出新的創意，這也是目前工科發展的一大特色。

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