東北師大《Nature》子刊重要突破！破解柔性電子全光刻難題，512萬晶體管/cm2超集成芯片問世

隨著智能植入設備和電子皮膚的快速發展，柔性電子技術展現出廣闊的應用前景。作為柔性電子系統的核心元件，有機薄膜晶體管（OTFT）的研究備受關注。然而，高性能柔性有機晶體管的高密度集成，一直是制約其商業化應用的主要障礙。

近日，東北師范大學研究團隊在該領域取得重要突破，提出了一種“雙保護層光刻”（DPL-photolithography）的新方法，有效解決了傳統光刻工藝與有機材料不兼容的難題，成功制備出兼具超高密度與高性能的共形有機晶體管陣列。這一成果為有機電子器件的規模化制造提供了可行的技術路徑，有力推動了其工業化進程。相關成果以題為Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy發表在Nature Communications。該研究由湯慶鑫教授和趙曉麗副教授為共同通訊作者，博士研究生倪艷萍為第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64284-3

創新點:

提出了一種通用且非破壞性的超薄正交雙保護層光刻方法（DPL-photolithography），通過精心設計抗溶劑和抗水正交保護層，有效防止了有機材料在光刻過程中遭受溶劑侵蝕，實現了0.5微米的高精度圖案化。該策略選用共軛聚合物作為抗水保護層，即便在幾十納米的超薄厚度下，也能顯著延緩水分子的擴散，實現100%的光刻圖案良品率。為驗證這一現象，研究團隊采用有限元模擬分析了水分子在不同類型保護層中的擴散行為，結果表明，共軛聚合物對水分子的阻滯能力約為非共軛聚合物的十倍，從而在理論上進一步支持了實驗結論。基于此方法，成功實現了兼具超高器件密度（5,120,000個晶體管/cm2），優異電學性能（遷移率2.6 cm2V-1s-1）、出色穩定性（連續開關10,000次或對折100,000次電學性能不變）的共形有機晶體管陣列。

顯著優勢:

（1）集成密度高：該技術采用超薄正交雙保護層結構，有效阻隔光刻過程中溶劑的侵蝕，從而顯著提升圖案精度。通過充分發揮光刻技術固有的高精度與高通量特性，實現了OTFT各功能層的高密度圖形化，極大提升了器件整體集成水平，最終達成高達5,120,000個晶體管/cm2的極致密度。

（2）電學性能優：與傳統全光刻柔性OTFT器件普遍低于0.5 cm2V-1s-1的遷移率相比，基于DPL-photolithography工藝的OTFT遷移率最高可達3.19 cm2V-1s-1。這一突破性性能源于該策略完全避免了有害溶劑對有機材料的損傷。整個工藝過程中有機薄膜僅接觸水，通過后續加熱即可完全去除，從而實現了無化學損傷的光刻圖案化。

（3）工藝普適性強：DPL-photolithography策略適用于各類有機導體、半導體和絕緣體材料，能夠完成OTFT所有功能層的圖案化制備。同時，該技術與多種成膜工藝兼容（溶液法或氣相沉積），并可兼容現有光刻設備及柔性/彈性器件集成工藝，展現出卓越的工藝適應性和廣泛的適用潛力。

圖文要點：

圖1：雙保護層光刻策略（DPL-photolithography）的設計思想。該光刻策略可以實現晶圓尺寸的規模制造和0.5μm的高精度制造。

圖2：共軛與非共軛保護層延緩水分子擴散的機制探究。共軛保護層的光刻良品率為100%，且阻水性能約為非共軛聚合物的10倍。

圖3：有機導體的無損光刻圖案化。基于DPL-photolithography策略光刻的有機導體，其薄膜形貌和電導率不變。

圖4：有機半導體/絕緣層的無損光刻圖案化。基于DPL-photolithography策略光刻的有機半導體和有機絕緣層，其薄膜形貌、器件的電學性能不變。

圖5：全光刻柔性OTFT陣列。陣列密度達64,288個晶體管/平方厘米，遷移率達2.21 cm2/Vs。密度可進一步提升至5,120,000個晶體管/平方厘米，同時遷移率仍保持在約1 cm2/Vs，實現了集成度與性能的協同優化。

圖6：機械和操作穩定性。器件在經歷連續掃描101次、連續開關10,000次、連續對折100,000次后，電學性能高度穩定。

圖7：亞微米有機電路及有源顯示驅動應用。亞微米反向器電路的溝道長度僅為0.9μm，密度高達14,000個器件/平方厘米。此外，“23℃”顯示器成功在仿真手上實現共形顯示驅動。

結語：

這項工作提供了一個通用平臺，用于集成各種微型化柔性有機電子器件，并展現出開發具有超高密度和高性能的類皮膚柔性電子產品的巨大潛力。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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