隨著智能植入設(shè)備和電子皮膚的快速發(fā)展，柔性電子技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。作為柔性電子系統(tǒng)的核心元件，有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）的研究備受關(guān)注。然而，高性能柔性有機(jī)晶體管的高密度集成，一直是制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。

近日，東北師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得重要突破，提出了一種“雙保護(hù)層光刻”（DPL-photolithography）的新方法，有效解決了傳統(tǒng)光刻工藝與有機(jī)材料不兼容的難題，成功制備出兼具超高密度與高性能的共形有機(jī)晶體管陣列。這一成果為有機(jī)電子器件的規(guī)?；圃焯峁┝丝尚械募夹g(shù)路徑，有力推動(dòng)了其工業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)成果以題為Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy發(fā)表在Nature Communications。該研究由湯慶鑫教授和趙曉麗副教授為共同通訊作者，博士研究生倪艷萍為第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64284-3

創(chuàng)新點(diǎn):

提出了一種通用且非破壞性的超薄正交雙保護(hù)層光刻方法（DPL-photolithography），通過(guò)精心設(shè)計(jì)抗溶劑和抗水正交保護(hù)層，有效防止了有機(jī)材料在光刻過(guò)程中遭受溶劑侵蝕，實(shí)現(xiàn)了0.5微米的高精度圖案化。該策略選用共軛聚合物作為抗水保護(hù)層，即便在幾十納米的超薄厚度下，也能顯著延緩水分子的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)100%的光刻圖案良品率。為驗(yàn)證這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)采用有限元模擬分析了水分子在不同類(lèi)型保護(hù)層中的擴(kuò)散行為，結(jié)果表明，共軛聚合物對(duì)水分子的阻滯能力約為非共軛聚合物的十倍，從而在理論上進(jìn)一步支持了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。基于此方法，成功實(shí)現(xiàn)了兼具超高器件密度（5,120,000個(gè)晶體管/cm2），優(yōu)異電學(xué)性能（遷移率2.6 cm2V-1s-1）、出色穩(wěn)定性（連續(xù)開(kāi)關(guān)10,000次或?qū)φ?00,000次電學(xué)性能不變）的共形有機(jī)晶體管陣列。

顯著優(yōu)勢(shì):

（1）集成密度高：該技術(shù)采用超薄正交雙保護(hù)層結(jié)構(gòu)，有效阻隔光刻過(guò)程中溶劑的侵蝕，從而顯著提升圖案精度。通過(guò)充分發(fā)揮光刻技術(shù)固有的高精度與高通量特性，實(shí)現(xiàn)了OTFT各功能層的高密度圖形化，極大提升了器件整體集成水平，最終達(dá)成高達(dá)5,120,000個(gè)晶體管/cm2的極致密度。

（2）電學(xué)性能優(yōu)：與傳統(tǒng)全光刻柔性O(shè)TFT器件普遍低于0.5 cm2V-1s-1的遷移率相比，基于DPL-photolithography工藝的OTFT遷移率最高可達(dá)3.19 cm2V-1s-1。這一突破性性能源于該策略完全避免了有害溶劑對(duì)有機(jī)材料的損傷。整個(gè)工藝過(guò)程中有機(jī)薄膜僅接觸水，通過(guò)后續(xù)加熱即可完全去除，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)化學(xué)損傷的光刻圖案化。

（3）工藝普適性強(qiáng)：DPL-photolithography策略適用于各類(lèi)有機(jī)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料，能夠完成OTFT所有功能層的圖案化制備。同時(shí)，該技術(shù)與多種成膜工藝兼容（溶液法或氣相沉積），并可兼容現(xiàn)有光刻設(shè)備及柔性/彈性器件集成工藝，展現(xiàn)出卓越的工藝適應(yīng)性和廣泛的適用潛力。

圖文要點(diǎn)：

圖1：雙保護(hù)層光刻策略（DPL-photolithography）的設(shè)計(jì)思想。該光刻策略可以實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的規(guī)模制造和0.5μm的高精度制造。

圖2：共軛與非共軛保護(hù)層延緩水分子擴(kuò)散的機(jī)制探究。共軛保護(hù)層的光刻良品率為100%，且阻水性能約為非共軛聚合物的10倍。

圖3：有機(jī)導(dǎo)體的無(wú)損光刻圖案化?；?/b>DPL-photolithography策略光刻的有機(jī)導(dǎo)體，其薄膜形貌和電導(dǎo)率不變。

圖4：有機(jī)半導(dǎo)體/絕緣層的無(wú)損光刻圖案化。基于DPL-photolithography策略光刻的有機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)絕緣層，其薄膜形貌、器件的電學(xué)性能不變。

圖5：全光刻柔性OTFT陣列。陣列密度達(dá)64,288個(gè)晶體管/平方厘米，遷移率達(dá)2.21 cm2/Vs。密度可進(jìn)一步提升至5,120,000個(gè)晶體管/平方厘米，同時(shí)遷移率仍保持在約1 cm2/Vs，實(shí)現(xiàn)了集成度與性能的協(xié)同優(yōu)化。

圖6：機(jī)械和操作穩(wěn)定性。器件在經(jīng)歷連續(xù)掃描101次、連續(xù)開(kāi)關(guān)10,000次、連續(xù)對(duì)折100,000次后，電學(xué)性能高度穩(wěn)定。

圖7：亞微米有機(jī)電路及有源顯示驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。亞微米反向器電路的溝道長(zhǎng)度僅為0.9μm，密度高達(dá)14,000個(gè)器件/平方厘米。此外，“23℃”顯示器成功在仿真手上實(shí)現(xiàn)共形顯示驅(qū)動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)：

這項(xiàng)工作提供了一個(gè)通用平臺(tái)，用于集成各種微型化柔性有機(jī)電子器件，并展現(xiàn)出開(kāi)發(fā)具有超高密度和高性能的類(lèi)皮膚柔性電子產(chǎn)品的巨大潛力。

來(lái)源：材料科學(xué)與工程公眾號(hào)。感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

近期學(xué)術(shù)會(huì)議推薦