Chemistry of Materials發表東華大學王剛/孫恒達研究員、四川大學馮良文研究員合作成果：基于表面光刻技術的高性能纖維狀垂直結構有機電化學晶體管

【研究背景】

纖維電化學晶體管（OECT）將纖維的柔韌性和彈性與OECT原有的功能特性相結合，在可穿戴電子產品中具有巨大的潛力。然而，在纖維曲面上進行電極和半導體通道的微納尺度圖案化具有較高的挑戰性，導致當前纖維OECT的性能普遍較差。因此，亟需在纖維狀OECT上定義明確的通道尺寸并同時縮小其通道長度，以縮小與平面OECT器件的性能差距。

【研究亮點】

近期，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室&材料科學與工程學院的王剛研究員、孫恒達研究員，四川大學化學學院馮良文研究員在Chemistry of Materials上合作發表了題為“High-Performance Fiber-Shaped Vertical Organic Electrochemical Transistors Patterned by Surface Photolithography”的研究成果，該成果作為紀念美國工程院院士、美國化學會前主席Elsa Reichmanis教授在材料化學領域，尤其是光刻膠領域的的杰出貢獻的特刊的一部分得到出版（特刊編輯：Stanford University的鮑哲南、UIUC的刁瑩，東華大學的王剛，University of Kentucky 的Chad Risko）。該工作通過使用表面光刻技術，首次實現對纖維OECT的精準圖案化，在纖維表面上制造高性能p型纖維狀垂直結構OECT，并且首次報道了n型纖維狀垂直結構OECT。該工作制備的纖維狀OECT器件均工作在增強模式下，具有卓越的跨導和電流開/關比，以及良好的機械穩定性和電化學穩定性。此外，通過傳統經緯編制和針織技術展示了基于纖維狀OECT集成的互補反相器、NAND和NOR邏輯門，證明了纖維狀OECT的編織集成潛力。

【研究要點】

1.光刻加工和器件結構

為定義準確的通道尺寸，該工作將S1813光刻膠引入到纖維電極表面上，以選擇性地暴露所需的纖維電極區域。通過使用特制的光刻系統，纖維表面經過曝光和后續顯影，可以方便地將S1813涂層圖案尺寸作為實際的通道尺寸（特征長度可小于100 μm）。除此之外，器件的其他功能層都利用簡單的浸涂方法引入。Ag-Au NW作為上電極粘附在半導體的頂部，形成致密的多孔上電極，使得離子能夠通過Ag-Au NW網絡在半導體層和電解質之間自由遷移。

圖1. 纖維狀垂直結構OECT架構和材料

2.器件性能

該工作通過定義明確的溝道尺寸獲得了穩定的器件性能，同時利用了垂直結構帶來的短通道特性獲得了優異的跨導值（p型：41.10 mS，n型：2.25 mS）。與現有的纖維OECT進行比較，該工作中的面積歸一化跨導達到了現有p型纖維狀OECT器件的最高值。對于n型纖維狀垂直結構OECT，本工作是首次報道，其面積歸一化跨導也超過了大多數纖維狀OECT器件。同時，得益于器件良好的圖案化，在增強模式下工作的p型和n型器件均可實現超過10⁴的電流開關比，這是傳統纖維OECT難以達到的。

圖2. 纖維狀垂直結構OECT電性能

3.器件機械穩定性和電化學穩定性

兼具高性能和高穩定性的纖維狀OECT并不常見。在智能紡織品和可穿戴電子產品等潛在應用中，彎曲穩定性是纖維狀OECT必須滿足的一個關鍵參數。在5毫米的彎曲半徑下，對p和n型纖維OECT進行500次彎曲循環后，器件均保持超過60%的跨導保

持率，并且開關比仍然超過10³。為了證明器件同時具有高的電化學穩定性，p型和n型纖維狀垂直結構OECT在超過5000秒的時間內顯示出超過500個穩定的開關周期，始終保持較高開關比（超過10³），并且器件性能未見衰減。

圖3. 彎曲穩定性和循環穩定性

4.編織邏輯電路演示

得益于所制備OECT器件的高性能、簡單工藝以及高器件穩定性，開發完全基于纖維狀OECT的高增益互補邏輯電路是可行的。通過將p型和n型纖維狀OECT都集成到單個纖維電極上，最終形成U形互補反相器（增益達21.2），并展示了其與針織技術的兼容性。該工作還展示了基于經緯編織的纖維狀OECT的NAND和NOR門，且均表現出良好的可重復性。結果表明，基于纖維狀OECT有可能實現更復雜邏輯電路的編織集成。

圖4. 基于纖維狀垂直結構OECT的編織邏輯門

【小結】

該工作采用光刻加工方法解決了纖維狀OECT所面臨的微納尺度圖案化挑戰。通過開發具有明確表面光刻圖案的纖維狀垂直結構OECT，彌補了纖維狀OECT與其平面OECT器件之間的性能差距。這項研究的結果有助于推動纖維狀OECT的持續研究，并證明了將光刻和纖維涂層技術相結合以實現有效器件制造的潛力。所開發器件的電性能和穩定性指標促進了可穿戴電子產品領域的進一步研究和潛在應用。

東華大學材料科學與工程學院博士研究生鐘岳桁、梁淇城為本文的共同第一作者，王剛、馮良文和孫恒達研究員為共同通訊作者。研究工作得到了朱美芳院士的指導，合作者包括上海交通大學的楊卓青研究員和電子科技大學的黃偉研究員，該項目得到國家自然科學基金和上海市科學技術委員會的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02237