面向全有机有源矩阵显示的全光刻高密度类肤晶体管阵列

针对这一技术瓶颈，东北师范大学汤庆鑫教授、赵晓丽副教授团队展开技术攻关，创新性提出全光刻制备策略，成功构筑出高密度、高性能的类皮肤 OTFT 有源矩阵阵列。团队通过融合“协同界面调控”与“双保护层辅助光刻”两大核心技术，突破了光刻工艺与有机半导体体系的兼容性难题，实现了高精度器件图案化，最终制备出集成密度可灵活调控的 OTFT 阵列，其最高密度达 6.25×10? cm?2，跻身目前已报道全光刻 OTFT 有源矩阵阵列的最高水平行列。该阵列在不同集成密度下均保持稳定且优异的电学性能，平均载流子迁移率超过1 cm2V?1s?1，确保了器件的实际应用潜力。在此基础上，团队将 OTFT 阵列与有机发光二极管(OLED)直接集成，成功制备出具备寻址能力的全有机 AMOLED 阵列，充分验证了该全光刻策略在系统级集成中的可行性。该研究不仅为高密度、高性能 OTFT 有源矩阵阵列的制备提供了通用、可扩展的技术路线，更为下一代可穿戴电子、类皮肤电子系统的研发奠定了坚实的技术基础。

I 全光刻工艺创新设计 打造超轻高柔类皮肤 OTFT 阵列

如图1所示，研究团队提出了一种全光刻协同设计策略，用于构筑类皮肤OTFT有源矩阵阵列。通过优化器件结构、界面工程和有机半导体图案化工艺，实现了对有机半导体的无损微米级图案化，并显著提升了器件的电学性能和阵列均一性。同时，采用共享寻址引线结构设计，有效降低了阵列布线复杂度，为高密度集成提供了关键基础。得益于柔性材料体系和嵌入式电极结构，该阵列不仅具备优异的电学性能，还展现出超轻与高柔性的特点，可紧密贴合复杂曲面结构，展示了其在柔性显示和可穿戴电子系统中的应用潜力。

图1. 全光刻类皮肤OTFT有源阵列的设计与制备。

II 全光刻工艺OTFT阵列：实现器件高密度集成与性能均一性突破

如图2所示，研究团队通过实验验证了全光刻策略在高密度 OTFT 阵列构筑中的可扩展性，该阵列可稳定贴合于三维曲面，器件在微米尺度实现高度有序排布，最小沟道长度仅5 μm。在6.25×10? cm?2的高密度集成条件下，阵列仍保持优异电学性能，平均载流子迁移率达 1 cm2V?1s?1，且所有器件迁移率均超 1 cm2V?1s?1。此外，该阵列经多次弯折循环后性能依旧稳定，展现出卓越的机械可靠性，其集成密度处于目前全光刻 OTFT 阵列的领先水平，为大面积柔性电子系统的研发提供了核心技术支撑。

图2. 全光刻工艺制备的OTFT阵列。 

III 协同界面调控：助力OTFT阵列性能提升

如图3所示，研究团队从载流子注入与传输两个关键环节出发，系统揭示了器件实现高性能的界面调控机制。在电极–半导体界面，通过五氟苯硫醇(PFBT)对金(Au)电极进行自组装单分子层修饰，可有效提高电极功函数，使其与有机半导体 IDTBT 的能级更加匹配，从而降低空穴注入势垒并显著减小接触电阻。Kelvin 探针力显微镜测试表明，PFBT 修饰后电极表面电势明显降低，功函数由约5.11 eV提升至5.28 eV，器件输出特性也随之表现出更线性的电流–电压关系，证明载流子注入效率得到显著提升。与此同时，在栅极–介电层界面，研究团队选用可进行等离子体表面羟基化处理的有机硅介电材料DC 1-2577，增强了介电层与栅电极之间的界面黏附力，使两者形成紧密接触，从而保证稳定的电场调控和高效载流子传输。相比之下，传统PMMA介电层在等离子体处理后会出现明显刻蚀与粗糙化，导致器件性能下降。两大界面的协同优化，构建了低势垒、高稳定性的界面体系，为器件获得优异电学性能奠定了关键物理基础。

图3. 协同界面调控实现高效电荷注入与传输。 

IV 全有机AMOLED阵列成功制备，解锁柔性显示应用场景

如图4所示，研究团队进一步验证了高密度OTFT有源矩阵阵列在实际系统中的应用潜力，通过将其与OLED集成，成功构筑了全有机有源矩阵AMOLED器件。在该结构中，OTFT阵列作为驱动背板，通过栅电压与数据信号电压实现对OLED发光电流的精准调控。为满足底发射结构的光学需求，研究团队选用高透明导电聚合物PEDOT:PSS作为电极材料，并结合像素定义层(PDL)实现像素区域的精确限定，从而有效避免像素间串扰并提升器件表面平整度。光电测试结果表明，所制备OLED器件在约560 nm处呈现稳定黄色发光，光电转换性能优异。在集成系统中，OTFT 阵列能够稳定调控OLED的驱动电流，最大输出电流超过0.1 mA，并在多次开关循环测试中保持稳定工作，展现出可靠的器件稳定性。该研究成功实现了OTFT阵列与 OLED发光单元的系统级集成，为构筑高分辨率柔性显示器件以及下一代可穿戴电子系统提供了重要技术基础。

图4. OTFT 阵列驱动的全有机AMOLED器件的制备与表征。

如图5所示，研究团队进一步展示了全有机AMOLED阵列在柔性与可穿戴应用方面的独特优势。得益于NOA68构筑的全有机柔性体系，该器件展现出优异的机械柔性和皮肤贴合能力，为类皮肤显示器件的实现奠定了基础。显微镜图像表明，所构筑的AMOLED阵列 具有清晰的布线结构和规则的像素排布，线宽与间距均为500 μm，为后续与柔性印刷电路(FPC)的可靠连接和像素驱动提供了基础。值得注意的是，该器件的面密度仅为24.3 g m?2，展现出超轻特性，当放置在花瓣表面时几乎不会引起任何形变，直观体现了其极薄与轻量化优势。通过与柔性电路板连接并施加外部电源，器件能够实现稳定发光，并在多次开关操作中保持清晰的亮灭对比，成功演示了像素级点亮与显示功能。最终，AMOLED 阵列能够显示字母图案“N”，验证了该全光刻OTFT阵列在OLED驱动与柔性显示系统中的应用可行性。该研究展示了一种兼具高柔性、超轻量与稳定驱动能力的全有机AMOLED显示系统，为下一代可穿戴与类皮肤电子显示技术的发展提供了重要技术路径。

图5. 超轻量、类皮肤型全有机 AMOLED 阵列。

汤庆鑫

本文通讯作者

东北师范大学 教授

▍主要研究领域

(1)基于光刻的柔弹性电子器件与电路集成。(2)有机场效应晶体管器件及光刻集成。(3)柔性可拉伸传感器。

▍主要研究成果

2007年博士毕业于中国科学院化学研究所物理化学专业，2008-2010年在丹麦哥本哈根大学从事博士后研究工作，全国优秀博士学位论文、国家级人才计划、吉林省自然科学一等奖、国家自然科学二等奖获得者。主要从事基于有机材料的柔性电子器件和电路研究，致力于将现代电子产业中广泛使用的光刻技术与有机柔性电子学结合，实现有机材料在电子皮肤、可穿戴电子等领域的应用。

▍Email：tangqx@nenu.edu.cn

赵晓丽

本文通讯作者

东北师范大学 副教授

▍主要研究领域

有机场效应器件的光刻集成。

▍主要研究成果

东北师范大学副教授，国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。2015年博士毕业于东北师范大学凝聚态物理专业，2016-2018年在东北师范大学物理学院从事博士后研究，出站后留校工作。主要从事柔弹性电子器件的光刻集成研究，致力于将现代电子产业技术—光刻技术引入到有机柔/弹性材料中，推动了电子皮肤、人工智能、可穿戴电子领域的发展。

▍Email：zhaoxl326@nenu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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