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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，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)計的成功得益于該團(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（Matter, 2025, 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, 122, e2419673122）。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)。

2D RAH的結(jié)構(gòu)與功能

RAH的獨特優(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10⁴至10⁷）。

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AND與OR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。