复旦大学，最新Nature Nanotechnology！

第一作者：Shen Zhang

通讯作者：魏大程

通讯单位：复旦大学

魏大程，复旦大学，分子材料与器件实验室，研究员，博士生导师，国家高层次引进青年人才、上海市优秀学术带头人。研究方向为特色原创性研究聚焦在晶体管材料与器件研究领域，开发了材料可控合成和器件加工技术，研究了新型晶体管器件、光电传感器、化学与生物传感器的设计原理和功能应用，取得了一系列创新成果。

论文速览

高性能大规模集成有机光电晶体管需要在高分辨率像素化期间保持其光电转换能力的半导体层。然而，由于缺乏对纳米结构的精确设计，光电性能和器件小型化之间的权衡极大地限制了商业应用的成功。

本研究提出了一种光伏纳米单元增强策略，成功克服了光电性能与器件微型化之间的权衡，使得高性能有机光晶体管能够实现大规模集成。研究团队将基于钙钛矿量子点的核壳结构光伏纳米单元嵌入光交联有机半导体中，通过光刻技术制造了超大规模集成（超过221个单元）的成像芯片。

这些芯片具有高达3.1×10⁶个单位/平方厘米的像素密度，比现有有机成像芯片至少高出两个数量级，与最新的商业全幅互补金属氧化物半导体（CMOS）相机芯片相当。嵌入的光伏纳米单元实现了原位光门控调制，使得光响应度和探测率达到6.8×10⁶ A W^-1和1.1×10¹³ Jones（在1 Hz时），分别实现了大规模或更高集成有机成像芯片的最高值。

此外，还制造了一种超大规模集成（超过216个单元）的可拉伸仿生视网膜，用于神经形态成像识别，其分辨率、光响应度和功耗接近生物对应物。

图文导读

图1：光伏纳米单元与传统平面光伏单元的工作原理对比。

图2：使用PQD纳米单元制造的超大规模集成（ULSI）成像芯片的制造过程和性能。

图3：ULSI成像芯片的光电性能。

图4：高密度互连矩阵的制造和性能，包括电路示意图、层信息、高密度互连矩阵的光学显微镜图像和统计数据。

图5：PQD纳米单元在纳米尺度调制机制中的作用，包括电荷分离和转移过程。

图6：超大规模集成（VLSI）仿生视网膜的应用。

总结展望

本研究成功展示了光伏纳米单元的概念，并通过纳米尺度调制克服了像素密度与光电性能之间的权衡，这可能是实现有机成像芯片商业化的关键。嵌入的纳米单元可以通过光交联网络实现稳定的聚集结构和界面，保持光转换和调制性能，对抗长期存储、热损伤和基板应变，为高性能集成光电子设备的实际应用提供了前景。

此外，该策略不仅适用于成像芯片，还可以扩展到发光二极管和太阳能电池等其他光电子设备。考虑到与微电子工业的兼容性，这种策略有利于实现高密度有机芯片的晶圆级、可靠和标准化制造。

文献信息

标题：Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01707-0