东北师大《Nature》子刊重要突破！破解柔性电子全光刻难题，512万晶体管/cm²超集成芯片问世

随着智能植入设备和电子皮肤的快速发展，柔性电子技术展现出广阔的应用前景。作为柔性电子系统的核心元件，有机薄膜晶体管（OTFT）的研究备受关注。然而，高性能柔性有机晶体管的高密度集成，一直是制约其商业化应用的主要障碍。

近日，东北师范大学研究团队在该领域取得重要突破，提出了一种“双保护层光刻”（DPL-photolithography）的新方法，有效解决了传统光刻工艺与有机材料不兼容的难题，成功制备出兼具超高密度与高性能的共形有机晶体管阵列。这一成果为有机电子器件的规模化制造提供了可行的技术路径，有力推动了其工业化进程。相关成果以题为Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy发表在Nature Communications。该研究由汤庆鑫教授和赵晓丽副教授为共同通讯作者，博士研究生倪艳萍为第一作者。

论文链接：

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

创新点:

提出了一种通用且非破坏性的超薄正交双保护层光刻方法（DPL-photolithography），通过精心设计抗溶剂和抗水正交保护层，有效防止了有机材料在光刻过程中遭受溶剂侵蚀，实现了0.5微米的高精度图案化。该策略选用共轭聚合物作为抗水保护层，即便在几十纳米的超薄厚度下，也能显著延缓水分子的扩散，实现100%的光刻图案良品率。为验证这一现象，研究团队采用有限元模拟分析了水分子在不同类型保护层中的扩散行为，结果表明，共轭聚合物对水分子的阻滞能力约为非共轭聚合物的十倍，从而在理论上进一步支持了实验结论。基于此方法，成功实现了兼具超高器件密度（5,120,000个晶体管/cm2），优异电学性能（迁移率2.6 cm2V-1s-1）、出色稳定性（连续开关10,000次或对折100,000次电学性能不变）的共形有机晶体管阵列。

显著优势:

（1）集成密度高：该技术采用超薄正交双保护层结构，有效阻隔光刻过程中溶剂的侵蚀，从而显著提升图案精度。通过充分发挥光刻技术固有的高精度与高通量特性，实现了OTFT各功能层的高密度图形化，极大提升了器件整体集成水平，最终达成高达5,120,000个晶体管/cm2的极致密度。

（2）电学性能优：与传统全光刻柔性OTFT器件普遍低于0.5 cm2V-1s-1的迁移率相比，基于DPL-photolithography工艺的OTFT迁移率最高可达3.19 cm2V-1s-1。这一突破性性能源于该策略完全避免了有害溶剂对有机材料的损伤。整个工艺过程中有机薄膜仅接触水，通过后续加热即可完全去除，从而实现了无化学损伤的光刻图案化。

（3）工艺普适性强：DPL-photolithography策略适用于各类有机导体、半导体和绝缘体材料，能够完成OTFT所有功能层的图案化制备。同时，该技术与多种成膜工艺兼容（溶液法或气相沉积），并可兼容现有光刻设备及柔性/弹性器件集成工艺，展现出卓越的工艺适应性和广泛的适用潜力。

图文要点：

图1：双保护层光刻策略（DPL-photolithography）的设计思想。该光刻策略可以实现晶圆尺寸的规模制造和0.5µm的高精度制造。

图2：共轭与非共轭保护层延缓水分子扩散的机制探究。共轭保护层的光刻良品率为100%，且阻水性能约为非共轭聚合物的10倍。

图3：有机导体的无损光刻图案化。基于DPL-photolithography策略光刻的有机导体，其薄膜形貌和电导率不变。

图4：有机半导体/绝缘层的无损光刻图案化。基于DPL-photolithography策略光刻的有机半导体和有机绝缘层，其薄膜形貌、器件的电学性能不变。

图5：全光刻柔性OTFT阵列。阵列密度达64,288个晶体管/平方厘米，迁移率达2.21 cm2/Vs。密度可进一步提升至5,120,000个晶体管/平方厘米，同时迁移率仍保持在约1 cm2/Vs，实现了集成度与性能的协同优化。

图6：机械和操作稳定性。器件在经历连续扫描101次、连续开关10,000次、连续对折100,000次后，电学性能高度稳定。

图7：亚微米有机电路及有源显示驱动应用。亚微米反向器电路的沟道长度仅为0.9µm，密度高达14,000个器件/平方厘米。此外，“23℃”显示器成功在仿真手上实现共形显示驱动。

结语：

这项工作提供了一个通用平台，用于集成各种微型化柔性有机电子器件，并展现出开发具有超高密度和高性能的类皮肤柔性电子产品的巨大潜力。

来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。

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