限制有机场效应晶体管性能提升和量产的原因是什么?

场效应晶体管（FET）是集成电路、计算机CPU和显示器背板等现代电子产品的核心构件。有机场效应晶体管（Organic Field Effect Transistors，简称OFET）利用有机半导体作为电流流动的通道，与硅等无机同类器件相比，具有灵活的优势。

鉴于OFET具有高灵敏度、机械柔性、生物相容性、特性可调性和低成本制造等特点，被认为在可穿戴电子、保形健康监测传感器和可弯曲显示器等新应用中具有巨大潜力。想象一下，可以卷起的电视屏幕；或者贴身穿戴的智能可穿戴电子设备和衣服，收集身体的重要信号，进行即时的生物反馈；或者用无害的有机材料制成的迷你机器人在体内工作，进行疾病诊断、靶向药物运输、小型手术等药物和治疗。

到目前为止，OFETs性能提升和量产的主要限制在于其小型化的难度。目前市场上使用OFETs的产品，在产品灵活性和耐久性方面还处于原始形态。

香港大学机械工程系陈国良博士领导的工程团队在开发交错结构单层有机场效应晶体管方面取得重要突破，为缩小OFETs的体积奠定了重要基石。该成果已发表在学术期刊《先进材料》上。该创新成果已经申请了美国专利。

现在科学家们在缩小OFETs尺寸方面面临的主要问题是，随着尺寸的缩小，晶体管的性能将显著下降，部分原因是接触电阻问题，即界面上的电阻会阻碍电流的流动。当器件变小后，其接触电阻将成为显著降低器件性能的主导因素。

陈博士团队创造的交错结构单层OFET表现出创纪录的低归一化接触电阻40 Ω -cm。与传统器件1000 Ω -cm的接触电阻相比，新器件在相同电流水平下运行时，可以节省96%的接触功耗。更重要的是，除了节能，还可以大大减少系统中产生的过多热量，这是导致半导体失效的常见问题。

“在我们的成果基础上，我们可以进一步缩小OFET的尺寸，并将其推向亚微米级，与无机对应器件相匹配，同时仍能有效地发挥其独特的有机特性。这对满足相关研究的商业化要求至关重要。” 陈博士说。

“如果柔性OFET奏效，许多传统的基于刚性的电子产品，如显示面板、电脑和手机等，都将转变为柔性和可折叠的。这些未来设备的重量将大大减轻，而且生产成本低。”

“此外，考虑到它们的有机性质，它们更有可能在先进的医疗应用中具有生物相容性，如追踪大脑活动或神经尖峰传感的传感器，以及在癫痫等大脑相关疾病的精确诊断中。” 陈博士补充道。

陈博士的团队目前正与香港大学医学院的研究人员和城大的生物医学工程专家合作，将微型化的OFET集成到聚合物微探针上的柔性电路中，以便在不同的外部刺激下，在小鼠脑部进行活体神经尖峰检测。他们还计划将OFETs集成到导管管等手术工具上，然后将其放入动物的大脑内，进行直接的大脑活动感应，以定位大脑中的异常激活。

“我们的OFETs提供了更好的信噪比。因此，我们希望能够接收到一些微弱的信号，而这些信号在使用传统的裸电极进行传感之前是无法检测到的。”

“将应用研究与基础科学联系起来一直是我们的目标。我们的科研成果将有望为OFETs的研究和应用开辟一片蓝海。我们相信，在OFETs上的设置和成果，现在已经可以在大面积显示背板和手术工具上应用了。” 陈博士最后说。

关于香港大学工程学院

工程学院是香港大学于1912年成立的学院之一。自成立以来，教师跟上工程的发展世界，总是在工程研究的前沿，演变成一个最大的大学教师与五部门提供本科、研究生和研究度在一个广泛的重要领域的现代工程技术和计算机科学。学院的目标是为学生提供全面的教育，使毕业生不仅具备尖端科技的知识，而且具备良好的沟通和社交能力、创新思维、终身学习的态度、专业操守和国际视野。
责任编辑:tzh

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