Chemistry of Materials发表东华大学王刚/孙恒达研究员、四川大学冯良文研究员合作成果：基于表面光刻技术的高性能纤维状垂直结构有机电化学晶体管

【研究背景】

纤维电化学晶体管（OECT）将纤维的柔韧性和弹性与OECT原有的功能特性相结合，在可穿戴电子产品中具有巨大的潜力。然而，在纤维曲面上进行电极和半导体通道的微纳尺度图案化具有较高的挑战性，导致当前纤维OECT的性能普遍较差。因此，亟需在纤维状OECT上定义明确的通道尺寸并同时缩小其通道长度，以缩小与平面OECT器件的性能差距。

【研究亮点】

近期，东华大学纤维材料改性国家重点实验室&材料科学与工程学院的王刚研究员、孙恒达研究员，四川大学化学学院冯良文研究员在Chemistry of Materials上合作发表了题为“High-Performance Fiber-Shaped Vertical Organic Electrochemical Transistors Patterned by Surface Photolithography”的研究成果，该成果作为纪念美国工程院院士、美国化学会前主席Elsa Reichmanis教授在材料化学领域，尤其是光刻胶领域的的杰出贡献的特刊的一部分得到出版（特刊编辑：Stanford University的鲍哲南、UIUC的刁莹，东华大学的王刚，University of Kentucky 的Chad Risko）。该工作通过使用表面光刻技术，首次实现对纤维OECT的精准图案化，在纤维表面上制造高性能p型纤维状垂直结构OECT，并且首次报道了n型纤维状垂直结构OECT。该工作制备的纤维状OECT器件均工作在增强模式下，具有卓越的跨导和电流开/关比，以及良好的机械稳定性和电化学稳定性。此外，通过传统经纬编制和针织技术展示了基于纤维状OECT集成的互补反相器、NAND和NOR逻辑门，证明了纤维状OECT的编织集成潜力。

【研究要点】

1.光刻加工和器件结构

为定义准确的通道尺寸，该工作将S1813光刻胶引入到纤维电极表面上，以选择性地暴露所需的纤维电极区域。通过使用特制的光刻系统，纤维表面经过曝光和后续显影，可以方便地将S1813涂层图案尺寸作为实际的通道尺寸（特征长度可小于100 μm）。除此之外，器件的其他功能层都利用简单的浸涂方法引入。Ag-Au NW作为上电极粘附在半导体的顶部，形成致密的多孔上电极，使得离子能够通过Ag-Au NW网络在半导体层和电解质之间自由迁移。

图1. 纤维状垂直结构OECT架构和材料

2.器件性能

该工作通过定义明确的沟道尺寸获得了稳定的器件性能，同时利用了垂直结构带来的短通道特性获得了优异的跨导值（p型：41.10 mS，n型：2.25 mS）。与现有的纤维OECT进行比较，该工作中的面积归一化跨导达到了现有p型纤维状OECT器件的最高值。对于n型纤维状垂直结构OECT，本工作是首次报道，其面积归一化跨导也超过了大多数纤维状OECT器件。同时，得益于器件良好的图案化，在增强模式下工作的p型和n型器件均可实现超过10⁴的电流开关比，这是传统纤维OECT难以达到的。

图2. 纤维状垂直结构OECT电性能

3.器件机械稳定性和电化学稳定性

兼具高性能和高稳定性的纤维状OECT并不常见。在智能纺织品和可穿戴电子产品等潜在应用中，弯曲稳定性是纤维状OECT必须满足的一个关键参数。在5毫米的弯曲半径下，对p和n型纤维OECT进行500次弯曲循环后，器件均保持超过60%的跨导保

持率，并且开关比仍然超过10³。为了证明器件同时具有高的电化学稳定性，p型和n型纤维状垂直结构OECT在超过5000秒的时间内显示出超过500个稳定的开关周期，始终保持较高开关比（超过10³），并且器件性能未见衰减。

图3. 弯曲稳定性和循环稳定性

4.编织逻辑电路演示

得益于所制备OECT器件的高性能、简单工艺以及高器件稳定性，开发完全基于纤维状OECT的高增益互补逻辑电路是可行的。通过将p型和n型纤维状OECT都集成到单个纤维电极上，最终形成U形互补反相器（增益达21.2），并展示了其与针织技术的兼容性。该工作还展示了基于经纬编织的纤维状OECT的NAND和NOR门，且均表现出良好的可重复性。结果表明，基于纤维状OECT有可能实现更复杂逻辑电路的编织集成。

图4. 基于纤维状垂直结构OECT的编织逻辑门

【小结】

该工作采用光刻加工方法解决了纤维状OECT所面临的微纳尺度图案化挑战。通过开发具有明确表面光刻图案的纤维状垂直结构OECT，弥补了纤维状OECT与其平面OECT器件之间的性能差距。这项研究的结果有助于推动纤维状OECT的持续研究，并证明了将光刻和纤维涂层技术相结合以实现有效器件制造的潜力。所开发器件的电性能和稳定性指标促进了可穿戴电子产品领域的进一步研究和潜在应用。

东华大学材料科学与工程学院博士研究生钟岳桁、梁淇城为本文的共同第一作者，王刚、冯良文和孙恒达研究员为共同通讯作者。研究工作得到了朱美芳院士的指导，合作者包括上海交通大学的杨卓青研究员和电子科技大学的黄伟研究员，该项目得到国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02237