近日，我院汤庆鑫教授团队在柔性电子集成领域取得重要进展。该团队发展了一种双保护层光刻策略，实现了高性能有机器件阵列的超高密度集成。相关成果以“Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy”为题，发表于国际著名期刊Nature Communications（2025, 16, 9246）上。

        有机薄膜晶体管（OTFTs）作为下一代可穿戴与植入式电子器件的核心组件，长期以来受限于有机材料与传统CMOS光刻工艺之间的兼容性矛盾，导致难以兼顾高密度与高性能集成，成为制约柔性电子产业化的关键瓶颈。

图1. 有机材料通用的光刻策略：(a, b) 双保护层光刻策略的思想图、光刻流程的示意图及显微镜图像；(c) 氧等离子体刻蚀后侧壁的示意图及实物图；(d, e, f) 晶圆尺寸图案阵列的制造、剥离、共形贴合于人体手臂；(g) 有机导体、半导体和绝缘体的光刻图案，线宽为0.5 µm。

        为攻克这一难题，汤庆鑫教授团队开发了一种通用的超薄正交双保护层光刻策略（DPL-photolithography），实现了有机薄膜的高精度、无化学损伤的光刻图案化（图1）。该策略的核心在于引入抗溶剂与抗水双重保护层，从而有效隔绝光刻过程中各种溶剂的化学侵蚀。研究发现，采用共轭聚合物作为抗水层，即使在几十纳米的超薄厚度下，也能有效延缓水分子扩散，实现100%的光刻良品率。有限元分析进一步证实，共轭聚合物凭借其紧密的分子堆积和疏水侧链结构，对水分子的阻滞能力约为非共轭聚合物的十倍，为实验现象提供了坚实的理论支撑（图2）。

图2. 共轭聚合物的阻水机制：(a, b) 共轭聚合物DPPT-TT和非共轭聚合物PMMA作为抗水层的光刻效果及良品率统计；(c, d) COMSOL模拟水分子在DPPT-TT和PMMA薄膜中的扩散云图；(e, f) DPPT-TT和PMMA薄膜相对水含量及水分子扩散速率随时间变化；(g) 典型共轭和非共轭聚合物薄膜的水接触角。

        该策略具备多方面的显著优势：图案精度达亚微米级（0.5 µm），适用于各类有机材料（导体、半导体、绝缘体），保护层选材灵活，且光刻良品率高达100%。基于此策略制备的柔性有机晶体管阵列，在64,288个晶体管/cm2的集成密度下，迁移率高达2.21 cm2V-1s-1；即使密度提升至5,120,000晶体管/cm2，迁移率仍可维持约1 cm2V-1s-1（图3）。器件同时展现出卓越的机械与电学稳定性，可承受一万次开关循环与十万次折叠循环测试，并已成功集成于亚微米有机电路及柔性显示驱动系统中，显示出良好的应用前景。

        这项突破性工作为高性能柔性有机电子器件的商业化制造提供了一个通用平台，标志着柔性电子技术从实验室走向大规模实际应用迈出了关键一步。

图3. 全光刻柔性OTFT阵列：(a, b, c) 阵列的示意图、显微镜图像及100条器件转移特性曲线（器件密度为64,288个/cm2）；(d, e, f) 10×10全光刻柔性OTFT阵列的显微镜图像及各项性能参数统计分布；(g, h) 器件密度为5,120,000个/cm2的OTFT阵列的显微镜图像及器件迁移率；(i) 亚微米OTFT器件的迁移率统计；(j) 文献报道的全光刻柔性OTFT阵列的集成密度及迁移率统计。

         该成果的第一作者为我院博士研究生倪艳萍，通讯作者为我院汤庆鑫教授和赵晓丽副教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

        文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64284-3

撰稿人：赵晓丽

初审：庞博

复审：张岩

终审：王中强