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有机场效应晶体管(organic field effect transistor, OFET)具有优异的机械柔韧性、可低成本印刷加工，以及可与任意衬底（塑料或者纸张）集成等方面的优势。因此，OFET将有望为构建未来发展数字健康、环境监测和物联网所需要的“万亿传感器”提供一个理想的技术平台。然而，面向这些实际应用，如何降低工作电压/功耗，实现良好的存储和工作稳定性，同时器件结构可以低成本全印刷加工，成为OFET技术面向实际应用发展的技术瓶颈。
最近，上海交通大学电子信息与电气工程学院印刷电子与柔性集成实验室发表在《自然》旗下的《科学报告》（Scientific Report）上的论文报告了在这方面的突破。他们通过降低半导体层/绝缘层界面缺陷态密度，可以在很小的栅绝缘层电容下实现低电压工作的OFET器件。所制备器件的亚阈值摆幅小于100 mV/decade，在开关电压范围3 V的情况下开关比达到106。该方法也被应用于不同的低k聚合物绝缘材料上（Journal of Material Chemistry C, 2 (18), 3517-3520, 2014），以及低温PECVD生长的碳绝缘层上（Advanced Electronic Materials, DOI: 10.1002/aelm.201500374）, 甚至是1.16 µm厚的普通的SU8光刻胶上都获得了类似的低电压工作器件。其中，全溶液法制备的基于1.16 µm厚的SU8栅绝缘层的器件具有所报道的OTFT器件中的最高的开关效率（Advanced Electronic Materials, DOI: 10.1002/aelm.201500454）。这种方法令采用较厚的低k非极性聚合物介电材料实现低电压OFET器件成为可能，从而器件结构更容易通过大面积印刷工艺实现。基于这种方法，通过选择合适的栅绝缘层材料，实现了在大气环境下具有长时间存储和工作稳定性的全溶液法/印刷加工的低电压工作的未封装的OFET器件。利用器件暴露在大气中的有机半导体层作为感应层可应用于各类气体传感应用。所制备的OFET传感标签低电压工作以及良好稳定性的特性使其能与纽扣电池供电的低电压(2.4 V)电子系统集成，在大气环境下实现了对NH3连续12小时的实时检测，功耗仅为50 nW。这是首次报道的实现OFET应用于低电压电子系统的演示。
该器件技术降低了对工艺条件的要求，采用的材料皆为商业化材料，突破了目前印刷加工低电压低功耗晶体管在材料和工艺上的限制，将能为低成本、大面积、柔性、可穿戴等传感器应用提供一个极具商业竞争力的技术平台。
论文链接： www.nature.com/articles/srep20671
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