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天津大學(xué)胡文平/李榮金AM:功能集成——有機(jī)集成電路發(fā)展的新范式

來源:化學(xué)加APP      2025-09-30
導(dǎo)讀:2025年9月26日,天津大學(xué)胡文平教授/李榮金教授團(tuán)隊在Adv. Mater.報道了一種可重構(gòu)不對稱異質(zhì)結(jié)器件(RAH),成功地將“感知—計算—存儲”三大功能整合到同一個微小的電子器件中,為柔性和輕量化電子設(shè)備提供了更緊湊的電路和更高的功能密度。

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正文

為什么要從“數(shù)量集成”轉(zhuǎn)向“功能集成”

現(xiàn)代電子學(xué)的發(fā)展依賴數(shù)量集成”,即通過不斷縮小晶體管尺寸來提高電路集成度,進(jìn)而提升算力。然而,隨著尺寸的不斷縮小,傳統(tǒng)的“數(shù)量集成”方法面臨著功耗過大、漏電嚴(yán)重和制造成本高昂等挑戰(zhàn)。尤其是在有機(jī)電子器件中,盡管其具有重量輕、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但由于有機(jī)材料無法像硅材料那樣適應(yīng)光刻工藝,其尺寸的微縮和高密度集成受到很大限制。針對此挑戰(zhàn),天津大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一種新的設(shè)計理念——“功能集成”。這種新思路通過將感知、計算、存儲等多功能集成于同一個微型有機(jī)電子器件中,從根本上破解傳統(tǒng)集成電路面臨的微型化瓶頸。

三合一功能集成

成功的關(guān)鍵是構(gòu)造了可重構(gòu)不對稱異質(zhì)結(jié)(RAH)。具體而言,RAH器件包含雙分子層的C6-DPA單晶層跨越源極和漏極,而單分子層的TFT-CN單晶僅位于漏極側(cè)。RAH能夠在外加偏置極性的調(diào)節(jié)下切換兩種完全不同的載流子注入機(jī)制。在正偏置時,器件采用F-N隧穿機(jī)制;而在負(fù)偏置時,則采用熱發(fā)射機(jī)制。這一結(jié)構(gòu)使得器件能夠在“導(dǎo)通/截止”與“強(qiáng)整流/弱整流”之間自由切換,成功實現(xiàn)了晶體管、動態(tài)整流器及可切換邏輯門“三合一”的功能設(shè)計。

“三合一”功能設(shè)計的成功得益于團(tuán)隊在二維有機(jī)半導(dǎo)體單晶領(lǐng)域多年的研究積累。早期工作中,團(tuán)隊開發(fā)了高效可控的界面結(jié)晶技術(shù),成功制備了薄至單分子層的有機(jī)半導(dǎo)體單晶及少層有機(jī)單晶異質(zhì)結(jié)(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 5339;Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 16082;Sci. China-Mater. 2022, 66, 1511;系統(tǒng)研究了二維分子晶體及其范德華異質(zhì)結(jié)的光電特性(Matter2025, 8, 102371;Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2414453;Adv. Mater. 2024, 36, 2309337;發(fā)展了提高半導(dǎo)體遷移率和穩(wěn)定性的自適應(yīng)摻雜策略(PNAS, 2025, 122e2419673122。這些研究成果為RAH器件的多功能集成提供了理論和材料基礎(chǔ)。

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2D RAH結(jié)構(gòu)與功能

RAH的獨(dú)特優(yōu)勢

1.材料創(chuàng)新

RAH采用了單分子層及雙分子層構(gòu)成的有機(jī)單晶異質(zhì)結(jié),能夠高效調(diào)節(jié)載流子的濃度和勢壘,從而提供出色的器件性能和穩(wěn)定性。通過在納米尺度上精確控制材料的結(jié)構(gòu),RAH實現(xiàn)了超高的電學(xué)性能和高密度集成。

2.不對稱注入物理機(jī)制

RAH器件通過超薄有機(jī)單晶異質(zhì)結(jié),利用強(qiáng)局域電場觸發(fā)F-N隧穿機(jī)制和熱發(fā)射機(jī)制,確保了器件在不同偏置條件下的動態(tài)可編程性。這一機(jī)制使得RAH能夠靈活調(diào)節(jié)載流子的注入方式,從而實現(xiàn)不同的工作模式

3.架構(gòu)簡潔

與傳統(tǒng)的多柵極可重構(gòu)器件的實現(xiàn)思路不同,RAH通過簡潔的漏極對齊異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),成功實現(xiàn)了器件功能的高效重構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅降低了功耗,也使得器件在生產(chǎn)過程中更加簡單和可控

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1.超高的整流能力與寬動態(tài)窗口
在適當(dāng)?shù)臇艍合拢?/span>RAH器件的整流比達(dá)到了1.1 × 108,整流窗口跨越了8個數(shù)量級,顯著超越了傳統(tǒng)整流器(通常整流比為104107)。

2.一換極,就換性格的光響應(yīng)

在正偏置下,光電響應(yīng)度高達(dá)788 A/W;而在負(fù)偏置時,光電響應(yīng)幾乎完全消失。

3.一個器件,兩種邏輯

RAH器件能夠在ANDOR邏輯門之間實時切換,在同一面積內(nèi)實現(xiàn)了邏輯功能密度翻倍,同時降低了功耗并簡化了制造過程。


總結(jié)


基于大面積二維有機(jī)半導(dǎo)體單晶的可重構(gòu)電子器件,不僅在傳統(tǒng)有機(jī)電子器件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化,還為未來的有機(jī)集成電路的實用化提供了新的設(shè)計理念和發(fā)展方向。通訊作者為天津大學(xué)李榮金教授,第一作者為天津大學(xué)研究生武顯碩、田馨孜。 

作者簡介


李榮金,天津大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。2009年畢業(yè)于中科院化學(xué)所,師從胡文平教授、朱道本院士。先后在上海有機(jī)所、德國馬普高分子所從事博士后研究。2015年回天津大學(xué)工作,任研究員/教授(2021年起被評為英才教授)。研究領(lǐng)域為大面積二維有機(jī)半導(dǎo)體單晶及器件集成。近五年,以通訊或共同通訊作者身份在PNASAdv. Mater.、JACSAngew. Chem. Int. Ed.等期刊發(fā)表論文30余 篇,所有發(fā)表論文近五年累計被引用4500 余次(google scholar,截至20259月)。擔(dān)任SmartMat 期刊學(xué)術(shù)編輯。


文獻(xiàn)詳情:

Beyond Transistor Miniaturization: A Single-Device Approach to Reconfigurable Logic Gates in 2D Organic Single-Crystalline Heterojunctions

Xianshuo Wu, Xinzi Tian, Jiarong Yao, Zhaofeng Wang, Shuyuan Yang, Yanling Xiao, Siyuan Zhang, Yan Wang, Xiaochen Ren, Jiansheng Jie, Fangxu Yang, Rongjin Li, Wenping Hu

Adv. Mater. 2025e14640

http://doi.org/10.1002/adma.202514640

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