郑州大学刘旭影/贾晗钰AEM：有机电化学晶体管：从光刻到大面积印刷

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文章信息

作者列表：Ling Huang, Dezhen Zhao, Xinwen Yan, Xu Liu, Qingqing Sun, Huige Yang, Xuying Liu, and Hanyu Jia*

DOI: 10.1002/aelm.202400474

原文链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202400474

研究背景

有机电化学晶体管（OECT）是一类重要的三端器件，因其在生物电子学和类脑计算领域的广泛应用而备受关注。OECT凭借其高跨导、高度生物相容性、低操作电压和低功耗等本征优势，展现出远超场效应晶体管的器件性能。离子-电子耦合与体相掺杂特征允许栅电压高效调制OECT沟道电流。随着柔性电子和可穿戴器件的快速发展，OECT的应用场景逐渐向生物传感、神经形态计算等领域拓展。传统的OECT制备主要依赖光刻技术，尽管该技术能够获得较高的分辨率，但存在设备依赖性强、材料利用率低、难以大面积制备等技术缺陷。印刷技术的引入赋予晶体管加工以全新生命力，使其能够实现低成本、高利用率的器件制备，并被应用于有机薄膜晶体管及其逻辑阵列的大面积印刷。因此，本文对OECT的印刷工艺进展进行了全面回顾，重点探讨了油墨材料体系、印刷策略及其在生物传感和神经形态运算等领域的应用潜力，为全印刷OECT的进一步发展提供全新路径。

研究概述

郑州大学刘旭影/贾晗钰团队针对OECT在大面积印刷的发展进程进行了深度概括，从材料体系、印刷工艺、器件性能、应用领域等维度开展了详细论述，充分对比了不同印刷工艺的优缺点。进一步地，本文总结了OECT在生物/化学传感、逻辑电路、神经形态运算、等领域的应用实例，并根据相关研究，提出了全印刷OECT在进一步发展中所亟待解决的问题，包括印刷工艺的膜厚可控度、印刷分辨率与精确度、溶剂相容性带来的批量可靠性、多层印刷的套刻精度等技术难题。

图1. 全印刷OECT的发展历程以及关键技术节点

1. 印刷OECT的材料体系

为了实现OECT的全印刷制备，器件的电极、沟道、绝缘层以及介电层等材料需要油墨化。尽管刚性基底能够提供较好的印刷稳定性和集成度，但柔性基底因适配度高、轻便、易加工等优势开始逐渐替代刚性基底，具有代表性的柔性基底包括聚合物基底和纸基底等。OECT电极包括栅极、源极、漏极，其中栅极需要非极化电极以实现对沟道的高效电化学掺杂，PEDOT:PSS以及Ag/AgCl作为非极化栅极材料开始被应用于OECT的全印刷制备。OECT的沟道材料体系通常为有机半导体溶液，在调控粘度和表面张力等流变性质后可以很轻易地实现油墨化，包括p型、n型半导体材料。而绝缘层和介电层作为OECT的两个差异性结构层也可以通过可溶液加工的含氟聚合物得以实现印刷制备。

图2. 用于全印刷OECT电极、介电层和沟道的材料体系

2. OECT的印刷工艺

本文综合对比了丝网印刷、喷墨印刷、3D打印、气溶胶喷涂等印刷工艺的各自特点及优势。不同印刷工艺针对油墨粘度和印刷分辨率有不同的适用范围，其中丝网印刷适用于大面积、批量化的OECT器件制备，喷墨印刷在高分辨制备中优势明显，而3D打印适合复杂结构的定制化制备。各类工艺通过调整油墨配方和印刷流程，均能实现稳定高效的器件制备，展现出不亚于光刻加工所制备OECT的器件性能。

图3. OECT的丝网印刷工艺

图4. OECT的喷墨印刷工艺

图5. OECT的3D打印、转移印刷、以及喷涂工艺

3. 印刷OECT的应用领域

本文进一步综述了印刷OECT在生物/化学传感、低功耗逻辑电路、神经形态运算等新兴领域的具体应用。例如，通过丝网印刷将OECT集成到纸基传感器上，实现了葡萄糖与乳酸的实时监测；全印刷OECT可用于构建可重构微波振荡器；通过3D打印所制备的OECT阵列能够较好地模拟生物突触功能。

图6. 全印刷OECT在生物/化学传感中的应用

图7. 全印刷OECT在逻辑电路中的应用

图8. 全印刷OECT在神经形态运算中的应用

4. 挑战与未来发展

尽管OECT的全印刷制备具备强大的产业化潜力和广泛的应用空间，但其发展仍面临一些挑战。首先，器件性能的一致性和大面积制备的可靠性需要进一步提升；其次，在复杂结构和高精度套刻上，现有的印刷策略仍有很多技术亟待改进。未来的研究方向可聚焦于高性能有机半导体和绝缘材料的开发、油墨的普适性调控、更为简便的印刷工艺等，这些改进有望为OECT的大面积制备提供更多的技术手段和产业化可能。

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。

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