Nat. Commun.：用于穩定低壓可拉伸晶體管陣列和高分辨率 X 射線成像的可拆卸接口

一、【科學背景】

可拉伸光電器件的挑戰，如像素大小、功耗和穩定性，嚴重阻礙了其在高分辨率數字成像中的實現。以往的研究集中在實現可調整變形，以有效減輕輻射損傷和圖像失真，但是將這些材料進一步集成到可拉伸電極或像素陣列中仍然具有挑戰性。以往的研究表明，可拉伸有機晶體管具有優秀的信號放大和適應性集成能力，但是在獲得高分辨率X射線圖像方面仍處于起步階段，因為其穩定性和集成方面存在限制。

二、【創新成果】

近日，來自中國科學院大學的郭云龍教授團隊在 Nature communications 期刊發表了題為“A detachable interface for stable low-voltage stretchable transistor arrays and high-resolution X-ray imaging”的論文，本文開發了一種通用的可拆卸接口技術，該技術允許均勻、無損傷和可重復地集成微圖案可拉伸電極，用于像素密集的本質可拉伸有機晶體管陣列。這種技術能夠在晶體管中創建理想的異質接觸和較短的溝道長度（2μm），從而使開關電流比超過 10⁶，器件密度達到 41000 個晶體管/cm²，工作電壓低至 5 V，并且具有出色的穩定性。這對于可拉伸直接轉換 X 射線探測器來說是前所未有的。這些結果為可拉伸光子集成走向下一代可視化設備創造了光明的未來。

圖1? 可拆卸接口設計，靈活集成高密度可拉伸有機晶體管陣列? ?2024 Springer Nature

專為可拉伸光子集成設計的可拆卸接口具有幾個主要特點和優勢：

無損微圖案化：該接口可實現微圖案化可拉伸電極的高分辨率和批次間的可重復性，確保在制造過程中將損壞降至最低。

可重復轉移：它可實現可拉伸電極的完整轉移，確保導電性和可拉伸性，從而實現一致且可重復的集成。

本征可拉伸電極的理想異質接觸：該接口有助于創建理想的異質界面，這對于在類膚電子器件中實現高穩定性、超靈敏檢測和空間分辨率至關重要。

廣泛的材料選擇和微加工技術：可分離界面方法拓寬了材料選擇和微制造技術，為實現高度集成的可拉伸功能電子器件提供了途徑。

簡便通用的途徑：接口設計為實現密集集成的表皮光子器件和可擴展的數字成像程序開辟了一條簡便通用的途徑。

圖2? 低壓操作、高穩定性本質可拉伸有機晶體管? ?2024 Springer Nature

即使在 5 V 的低工作電壓下，本征可拉伸有機晶體管也能表現出理想的開關行為，電流滯后極小，導通/關斷電流比（Ion/Ioff）超過 10⁶，閾下斜率（SS）低至每 10 年 317 mV，空穴遷移率（h）高達 0.580 cm² V^-1 s^-1。

與之前報道的高密度可拉伸有機晶體管相比，其驅動電壓和離態電流分別降低了約 5 倍和 3 個數量級，這表明該器件在多種皮膚光子電子學方面具有巨大潛力。可拉伸晶體管陣列表現出較高的均勻性，平均空穴遷移率（h）為 0.444 cm² V^-1 s^-1，且分布較窄，這表明高密度可拉伸有機晶體管陣列的制造是可靠的，且沒有明顯的性能差異。

之所以能實現低工作電壓和高工作穩定性，是因為縮短了溝道長度，增強了柵極調制，降低了漏電流，以及通過可拆卸接口方法實現了電極和半導體之間的高質量異質接觸。

圖3? 基于本質可拉伸晶體管的有機X射線圖像傳感器的超靈敏檢測性能? ?2024 Springer Nature

本征可拉伸有機晶體管陣列實現了超靈敏 X 射線探測能力，具有很高的光敏度，最低探測限低至 24.34 nGy_air s^?1。系統研究了本征可拉伸有機晶體管陣列的 X 射線探測能力和輻照穩定性，證明了其在高分辨率 X 射線成像方面的潛力。基于晶體管結構的直接 X 射線探測器對轉換效率的依賴性很弱，這是因為其獨特的光調制機制涉及深阱態的電荷積累，從而使這種低 Z 值有機導體在可拉伸超靈敏 X 射線探測方面具有高靈敏度響應。

這些發現表明，密集集成的可拉伸有機晶體管陣列在超靈敏 X 射線探測和高分辨率成像方面具有潛力，為未來在數字成像程序中的應用鋪平了道路。

圖4? 基于本質可拉伸有機圖像傳感器的高分辨率 X 射線成像? ?2024 Springer Nature

基于本征可拉伸晶體管的圖像傳感器實現了高分辨率 X 射線成像和百萬像素成像，這在可拉伸直接轉換圖像傳感器中是前所未有的。可拉伸晶體管陣列在插入和連接到管道中時能夠獲得高對比度圖像，展示了其在具有挑戰性的場景中的成像能力。固有的可拉伸圖像傳感器陣列可貼合人體手腕，最大程度地減少了不適反應和生物電子學的檢測偏差。探測器表現出卓越的長期穩定性，存儲圖像傳感器的 X 射線響應在八個月內保持不變。實現具有穩定和低暗電流的本征可拉伸圖像傳感器陣列是高質量 X 射線成像的首要條件，而這些傳感器已證明了這些特性。

這些發現凸顯了基于本征可拉伸晶體管的圖像傳感器在高分辨率成像應用（包括 X 射線成像和生物電子學）方面的潛力。

三、【科學啟迪】

總之，作者在穩定且高密度的本質可拉伸有機晶體管圖像傳感器的制造過程中引入了可拆卸接口的創新設計。作者的可拆卸接口能夠實現高分辨率微圖案和本質可拉伸電極的可重復集成，這些電極很容易適用于可拉伸光子集成。利用這種技術，制造的晶體管在器件密度（41,000個晶體管/cm²）、工作穩定性（>250個連續周期）和電氣性能（在5V的低工作電壓下開關電流比超過10⁶）方面實現了顯著提高。此外，作者驗證了其超靈敏 X 射線檢測能力，具有高光敏度和低至 24.34 nGy_air s^?1 的最低檢測限。本質上可拉伸的有機圖像傳感器實現了高分辨率X射線成像和百萬像素成像，這對于可拉伸直接轉換圖像傳感器來說是前所未有的。因此，作者的方法為密集集成的類皮膚光子系統提供了一個有價值的平臺，用于未來的人工集中應用。

原文詳情：

Exploring the frontiers of condensed-phase chemistry with a general reactive machine learning potential. Nat. Commun. (2024).

DOI: 10.1038/s41467-024-47026-9

本文由尼古拉斯供稿