近日，我校物理學(xué)院湯慶鑫教授團(tuán)隊(duì)在柔性電子集成領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種雙保護(hù)層光刻策略，實(shí)現(xiàn)了高性能有機(jī)器件陣列的超高密度集成。相關(guān)成果以“Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Communications（2025, 16, 9246）上。
有機(jī)薄膜晶體管（OTFTs）作為下一代可穿戴與植入式電子器件的核心組件，長(zhǎng)期以來(lái)受限于有機(jī)材料與傳統(tǒng)CMOS光刻工藝之間的兼容性矛盾，導(dǎo)致難以兼顧高密度與高性能集成，成為制約柔性電子產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。
圖1. 有機(jī)材料通用的光刻策略：(a, b) 雙保護(hù)層光刻策略的思想圖、光刻流程的示意圖及顯微鏡圖像；(c) 氧等離子體刻蝕后側(cè)壁的示意圖及實(shí)物圖；(d, e, f) 晶圓尺寸圖案陣列的制造、剝離、共形貼合于人體手臂；(g) 有機(jī)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的光刻圖案，線(xiàn)寬為0.5 μm。
為攻克這一難題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種通用的超薄正交雙保護(hù)層光刻策略（DPL-photolithography），實(shí)現(xiàn)了有機(jī)薄膜的高精度、無(wú)化學(xué)損傷的光刻圖案化（圖1）。該策略的核心在于引入抗溶劑與抗水雙重保護(hù)層，從而有效隔絕光刻過(guò)程中各種溶劑的化學(xué)侵蝕。研究發(fā)現(xiàn)，采用共軛聚合物作為抗水層，即使在幾十納米的超薄厚度下，也能有效延緩水分子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)100%的光刻良品率。有限元分析進(jìn)一步證實(shí)，共軛聚合物憑借其緊密的分子堆積和疏水側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，對(duì)水分子的阻滯能力約為非共軛聚合物的十倍，為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。
圖2. 共軛聚合物的阻水機(jī)制：(a, b) 共軛聚合物DPPT-TT和非共軛聚合物PMMA作為抗水層的光刻效果及良品率統(tǒng)計(jì)；(e, f) DPPT-TT和PMMA薄膜相對(duì)水含量及水分子擴(kuò)散速率隨時(shí)間變化；(g) 幾種典型共軛和非共軛聚合物薄膜的水接觸角。
該策略具備多方面的顯著優(yōu)勢(shì)：圖案精度達(dá)亞微米級(jí)（0.5 μm），適用于各類(lèi)有機(jī)材料（導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體），保護(hù)層選材靈活，且光刻良品率高達(dá)100%?；诖瞬呗灾苽涞娜嵝杂袡C(jī)晶體管陣列，在64,288個(gè)晶體管/cm2的集成密度下，遷移率高達(dá)2.21 cm2V-1s-1；即使密度提升至5,120,000晶體管/cm2，遷移率仍可維持約1 cm2V-1s-1（圖3）。器件同時(shí)展現(xiàn)出卓越的機(jī)械與電學(xué)穩(wěn)定性，可承受一萬(wàn)次開(kāi)關(guān)循環(huán)與十萬(wàn)次折疊循環(huán)測(cè)試，并已成功集成于亞微米有機(jī)電路及柔性顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，并顯示出良好的應(yīng)用前景。
這項(xiàng)突破性工作為高性能柔性有機(jī)電子器件的商業(yè)化制造提供了一個(gè)通用平臺(tái)，標(biāo)志著柔性電子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。
圖3. 全光刻柔性O(shè)TFT陣列：(a, b, c) 陣列的示意圖、顯微鏡圖像及100條器件轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)（器件密度為64,288個(gè)/cm2）；(d, e, f) 10×10全光刻柔性O(shè)TFT陣列的顯微鏡圖像及各項(xiàng)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布；(g, h) 器件密度為5,120,000個(gè)/cm2的OTFT陣列的顯微鏡圖像及器件遷移率；(i) 亞微米OTFT器件的遷移率統(tǒng)計(jì)；(j) 文獻(xiàn)報(bào)道的全光刻柔性O(shè)TFT陣列的集成密度及遷移率統(tǒng)計(jì)。
該成果的第一作者為我校物理學(xué)院博士研究生倪艷萍，通訊作者為我校物理學(xué)院湯慶鑫教授和趙曉麗副教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64284-3
