Nat. Commun.：用于稳定低压可拉伸晶体管阵列和高分辨率 X 射线成像的可拆卸接口

一、【科学背景】

可拉伸光电器件的挑战，如像素大小、功耗和稳定性，严重阻碍了其在高分辨率数字成像中的实现。以往的研究集中在实现可调整变形，以有效减轻辐射损伤和图像失真，但是将这些材料进一步集成到可拉伸电极或像素阵列中仍然具有挑战性。以往的研究表明，可拉伸有机晶体管具有优秀的信号放大和适应性集成能力，但是在获得高分辨率X射线图像方面仍处于起步阶段，因为其稳定性和集成方面存在限制。

二、【创新成果】

近日，来自中国科学院大学的郭云龙教授团队在Nature communications期刊发表了题为“A detachable interface for stable low-voltage stretchable transistor arrays and high-resolution X-ray imaging”的论文，本文开发了一种通用的可拆卸接口技术，该技术允许均匀、无损伤和可重复地集成微图案可拉伸电极，用于像素密集的本质可拉伸有机晶体管阵列。这种技术能够在晶体管中创建理想的异质接触和较短的沟道长度（2μm），从而使开关电流比超过 10⁶，器件密度达到 41000 个晶体管/cm²，工作电压低至 5 V，并且具有出色的稳定性。这对于可拉伸直接转换 X 射线探测器来说是前所未有的。这些结果为可拉伸光子集成走向下一代可视化设备创造了光明的未来。

图1可拆卸接口设计，灵活集成高密度可拉伸有机晶体管阵列©2024 Springer Nature

专为可拉伸光子集成设计的可拆卸接口具有几个主要特点和优势：

无损微图案化：该接口可实现微图案化可拉伸电极的高分辨率和批次间的可重复性，确保在制造过程中将损坏降至最低。

可重复转移：它可实现可拉伸电极的完整转移，确保导电性和可拉伸性，从而实现一致且可重复的集成。

本征可拉伸电极的理想异质接触：该接口有助于创建理想的异质界面，这对于在类肤电子器件中实现高稳定性、超灵敏检测和空间分辨率至关重要。

广泛的材料选择和微加工技术：可分离界面方法拓宽了材料选择和微制造技术，为实现高度集成的可拉伸功能电子器件提供了途径。

简便通用的途径：接口设计为实现密集集成的表皮光子器件和可扩展的数字成像程序开辟了一条简便通用的途径。

图2低压操作、高稳定性本质可拉伸有机晶体管©2024 Springer Nature

即使在 5 V 的低工作电压下，本征可拉伸有机晶体管也能表现出理想的开关行为，电流滞后极小，导通/关断电流比（Ion/Ioff）超过 10⁶，阈下斜率（SS）低至每 10 年 317 mV，空穴迁移率（h）高达 0.580 cm²V^-1s^-1。

与之前报道的高密度可拉伸有机晶体管相比，其驱动电压和离态电流分别降低了约 5 倍和 3 个数量级，这表明该器件在多种皮肤光子电子学方面具有巨大潜力。可拉伸晶体管阵列表现出较高的均匀性，平均空穴迁移率（h）为 0.444 cm²V^-1s^-1，且分布较窄，这表明高密度可拉伸有机晶体管阵列的制造是可靠的，且没有明显的性能差异。

之所以能实现低工作电压和高工作稳定性，是因为缩短了沟道长度，增强了栅极调制，降低了漏电流，以及通过可拆卸接口方法实现了电极和半导体之间的高质量异质接触。

图3基于本质可拉伸晶体管的有机X射线图像传感器的超灵敏检测性能©2024 Springer Nature

本征可拉伸有机晶体管阵列实现了超灵敏 X 射线探测能力，具有很高的光敏度，最低探测限低至 24.34 nGy_airs⁻¹。系统研究了本征可拉伸有机晶体管阵列的 X 射线探测能力和辐照稳定性，证明了其在高分辨率 X 射线成像方面的潜力。基于晶体管结构的直接 X 射线探测器对转换效率的依赖性很弱，这是因为其独特的光调制机制涉及深阱态的电荷积累，从而使这种低 Z 值有机导体在可拉伸超灵敏 X 射线探测方面具有高灵敏度响应。

这些发现表明，密集集成的可拉伸有机晶体管阵列在超灵敏 X 射线探测和高分辨率成像方面具有潜力，为未来在数字成像程序中的应用铺平了道路。

图4基于本质可拉伸有机图像传感器的高分辨率X射线成像©2024 Springer Nature

基于本征可拉伸晶体管的图像传感器实现了高分辨率 X 射线成像和百万像素成像，这在可拉伸直接转换图像传感器中是前所未有的。可拉伸晶体管阵列在插入和连接到管道中时能够获得高对比度图像，展示了其在具有挑战性的场景中的成像能力。固有的可拉伸图像传感器阵列可贴合人体手腕，最大程度地减少了不适反应和生物电子学的检测偏差。探测器表现出卓越的长期稳定性，存储图像传感器的 X 射线响应在八个月内保持不变。实现具有稳定和低暗电流的本征可拉伸图像传感器阵列是高质量 X 射线成像的首要条件，而这些传感器已证明了这些特性。

这些发现凸显了基于本征可拉伸晶体管的图像传感器在高分辨率成像应用（包括 X 射线成像和生物电子学）方面的潜力。

三、【科学启迪】

总之，作者在稳定且高密度的本质可拉伸有机晶体管图像传感器的制造过程中引入了可拆卸接口的创新设计。作者的可拆卸接口能够实现高分辨率微图案和本质可拉伸电极的可重复集成，这些电极很容易适用于可拉伸光子集成。利用这种技术，制造的晶体管在器件密度（41,000个晶体管/cm²）、工作稳定性（>250个连续周期）和电气性能（在5V的低工作电压下开关电流比超过10⁶）方面实现了显着提高。此外，作者验证了其超灵敏 X 射线检测能力，具有高光敏度和低至 24.34 nGy_airs⁻¹的最低检测限。本质上可拉伸的有机图像传感器实现了高分辨率X射线成像和百万像素成像，这对于可拉伸直接转换图像传感器来说是前所未有的。因此，作者的方法为密集集成的类皮肤光子系统提供了一个有价值的平台，用于未来的人工集中应用。

原文详情：

Exploring the frontiers of condensed-phase chemistry with a general reactive machine learning potential. Nat. Commun. (2024).

DOI:10.1038/s41467-024-47026-9

本文由尼古拉斯供稿