电子科技大学，2023年首篇Nature！

有机电化学晶体管(OECTs)和基于OECT的电路，由于其极低的驱动电压(<1 V)、低功耗(<1µW)、高跨导(>10 mS)和生物兼容性，在生物电子学、可穿戴电子器件和人工神经形态电子器件方面，具有巨大潜力。

然而，关键互补逻辑OECT的成功实现，目前受到时间和/或操作不稳定性、缓慢的氧化还原过程和/或切换、与高密度单片集成的不兼容以及较差的n型OECT性能的限制。

在此，来自美国西北大学的郑丁& Tobin J. Marks & Antonio Facchetti 和电子科技大学的黄伟&程玉华等研究者展示了在一个简单的、可伸缩的且具有密集的、不透水的顶部接触的垂直结构中，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成了离子渗透半导体通道，实现了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs。

相关论文以题为“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”于2023年01月18日发表在Nature上。

有机电化学晶体管(OECTs)，由于其驱动电压低、功耗低、跨导率高以及在机械柔性平台上易于集成等优点，在生物电子学、可穿戴电子学和神经形态电子学领域，具有广泛的应用前景。然而，OECT的进一步进展面临挑战。

(1)尽管取得了进展，但与空穴传输(p型)相比，较差的电子传输(n型)OECT性能(大约低1000倍的跨导和/或电流密度)，阻碍了生物传感器开发中对体内相关分析物阳离子(例如，Na⁺， K⁺，Ca²⁺，Fe³⁺和Zn²⁺)的互补逻辑和敏感性的发展。

(2)时间和/或操作的不稳定性阻碍了所有可能的应用。

(3) p型和n型OECT性能的不平衡，阻碍了集成到互补电路中。

(4)缓慢的氧化还原过程导致开关缓慢。

(5)最先进的传统OECTs (cOECTs)具有平面源漏电极结构，需要最多10µm的小通道长度(L)，以及精确的半导体层和无源材料电极涂层，以实现高跨导(g_m)和快速开关(大约在毫秒范围内)，需要复杂的制造方法。

传统光刻只能可靠地实现大于1µm的特征或L，尽管印刷和激光切割提供了简化的cOECT制造，但这是以牺牲性能为代价的。

此外，为了增加g_m, OECT通常使用较厚的半导体薄膜，这不可避免地影响了开关速度，因为高g_m值需要电解质和大块半导体之间进行有效的离子交换。因此，如果材料设计没有进展，特别是对于n型半导体，以及新器件架构的实现，OECT应用的范围将仍然有限。

在此，研究者展示了高性能的p型和n型OECT和互补电路，通过使用垂直器件结构(垂直OECT，以下称为vOECT)，通过热蒸发和遮蔽不渗透和密集的金源-漏电极以及离子传导半导体通道的自旋涂层和光模压制备。vOECT制作过程如图1a所示。

该过程的关键是使用氧化还原活性p型(gDPP-g2T)或n型(Homo-gDPP)半导体聚合物与氧化还原惰性光固化聚合物组分(肉桂-纤维素聚合物(Cin-Cell))混合作为OECT通道。

在对照实验的基础上，发现最优的半导体聚合物：Cin-Cell质量比为9:2。vOECT几何截面和选定的光学和扫描电子显微镜(SEM)图像(图1c,d)表明，通道长度(L)是半导体层厚度(约100 nm)，底部和顶部电极的宽度分别定义了半导体的通道宽度(W)和标称深度(d)。使用无离子导电乙二醇侧链聚合物的cOECTs和vOECTs也被制成作为对照；他们的表现是微不足道的。

据目前所知，第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1 kA cm⁻²的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。这种架构为有机半导体氧化还原化学和物理的基础研究、没有宏观电解质接触的纳米尺度的密闭空间，以及可穿戴和可植入设备的应用提供了许多可能性。

图1. 制作方案和使用的vOECT材料

图2. OECT表现及与文献数据比较

图3. vOECT稳定性，开关时间和频率相关的跨导(带宽)特性

图4. 基于vOECTs的垂直堆叠互补电路

综上所述，研究者报告了在p型和n型操作模式下，都表现出前所未有的性能的vOECTs。这里展示的器件结构，是通过合成新的电活性和离子渗透性半导体聚合物以及电活性共混层的界面工程实现的。

该器件可通过常规制造工艺获得，并提供高保真和稳定的性能特征。它们为各种应用中的全新系统设计提供了机会，包括低成本诊断、脑机接口、可植入和可穿戴设备、假肢和智能软机器人，对于这些应用来说，小的有效占地面积以及高g_m和低驱动电压指标是基本要求。

此外，vOECTs为柔性和可拉伸的互补器件和相关逻辑电路提供了一种新的设计范式。

作者简介

程玉华，电子科技大学教授，博士生导师。主要研究方向：从事电子测试技术、精密无损检测、故障诊断与健康管理（DPHM）

学术头衔及兼职：入选教育部“长江学者”特聘教授、四川省学术与技术带头人等。获得何梁何利基金科学与技术创新奖；作为第一完成人获得国家技术发明二等奖1项、四川省科学技术进步一等奖1项；获中国自动化学会“青年科学家”。

目前为教育部自动化类专业教学指导委员会委员、四川省普通本科高等学校电气与自动化类专业教学指导委员会副主任委员、中国仪器仪表学会理事、IEEE高级会员，IEEE TIM、Neurocomputing等国际著名期刊副主编。受邀担任国际学术会议主席5次。

主要从事电子测试技术、精密无损检测、故障诊断与健康管理（DPHM）等领域的教学与科研工作。近五年，主持国家自然科学基金（重点）、预研基金（重点）等国家级项目13项，突破了多波成像、多维快拍、高速高精同步捕获等技术。相关科研成果发表高水平论文90余篇，出版学术专著5部，授权发明专利42项(美国专利2项)。

黄伟，电子科技大学特聘研究员，博士生导师。主要研究方向：可穿戴传感器，柔性可拉伸传感器，生物传感器，薄膜晶体管等。

学术头衔及兼职：任中国化学快报（SCI）青年编委；任多个权威SCI期刊（如Adv. Mater.，ACS Energy Lett.，Nano Energy，Nano-Micro Lett.，ACS Appl. Mater. Interfaces，J Mater. Chem. C，Appl. Phys. Lett.等）审稿人。

科学研究：针对溶液法制备的光电器件及其传感器在高性能与高效低成本生产方面难以兼得的技术难点，以及实现高精度、高可靠性、高稳定性指标的产业化重点，主要从事下一代高性能光电器件特别是传感器方面的研究。负责柔性可拉伸复合电子器件、先进多阴离子材料、可打印电子墨水、能量存储技术中的基础化学与材料等多个国家、省部级项目中关键技术的研究与开发，研究涵盖薄膜晶体管及其传感器、太阳能电池、锂离子电池等光电器件，并取得了一系列系统深入的研究成果。

近五年在国际权威期刊发表论文70余篇，第一作者及通讯作者SCI论文21篇（JCR一区21篇，包括：传感器、光电器件领域顶级期刊PNAS 2篇、Adv. Mater. 3篇、Adv. Funct. Mater. 2篇、Nano Energy 1篇，其中封面论文6篇；SCI他引1400余次，H指数为24）；参与编撰Wiley出版社智能电子器件英文专著2部；申请并授权美国专利一项，中国专利一项。

文献信息

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05592-2

https://www.auto.uestc.edu.cn/info/1121/4617.htm

https://www.auto.uestc.edu.cn/info/1121/5616.htm

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电子科技大学，2023年首篇Nature！

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