1 工作简介

         ——突破玻尔兹曼极限的有机隧穿晶体管

柔性电子作为一项颠覆性科学技术，正在重塑电子设备的形态与功能，是引领后摩尔时代信息技术变革性发展的重要方向。有机晶体管凭借其本征柔韧性、生物相容性、功能可调以及可大面积高效加工等优势，是推动未来柔性显示、脑机接口、可穿戴健康监测、智能传感、柔性芯片等新兴领域发展的关键元器件。随着集成系统中晶体管密度的增加，以及可穿戴系统对长时间工作的要求，器件功耗逐渐成为一个不容忽视的问题。为满足低功耗柔性电子应用需求，在显著提高有机晶体管电学性能的同时，其工作电压也迫切需要进一步降低。然而，如何在低电压下维持有机晶体管优异的电学性能，一直是该领域的核心挑战之一。这一难题主要归因于传统晶体管的亚阈值摆幅（SS），即将电流上升一个量级所需的电压，通常受制于玻尔兹曼热电子发射理论的限制，导致室温下晶体管的SS值无法低于60 mV dec^-1。

针对上述难题，苏州大学张晓宏、揭建胜研究团队首次提出了有机隧穿晶体管这一全新的器件概念，从根本上摆脱了有机晶体管发明近40年以来，亚阈值摆幅长期受制于玻尔兹曼热电子发射理论极限的束缚，使得柔性有机晶体管在功耗大幅下降低的同时，器件的信号放大效率和本征增益等关键性能显著提高，标志着有机晶体管研究领域的重要突破。

有机隧穿晶体管利用三氧化钼（MoO₃）与p-型C8-BTBT有机半导体单晶薄膜，构建了破隙型（broken gap）的源-沟道异质结。导带较深的MoO₃可以与C8-BTBT形成宽的空穴带-带隧穿窗口。但在通常情况下，由于MoO₃沉积功率较高，热蒸发产生的高能团簇会造成脆弱的有机单晶薄膜表面破坏，产生大量的界面间隙态，使隧穿界面受到强烈费米能级钉扎效应的影响。为此，研究团队创新发展了一种高效的界面分子解耦策略，通过在MoO₃层与C8-BTBT有机单晶薄膜异质结界面处，引入一层高电离能有机分子修饰层，消除了费米能级钉扎效应，并有效降低了隧穿势垒。因此，在极低的供给电压下即可触发电荷的带间隧穿，使得晶体管表现出突破理论极限的亚阈值摆幅（24.2 ± 5.6 mV dec^-1）和创纪录的信号放大效率（101.2 ± 28.3 S A^-1），且功耗较目前报道的最优有机晶体管下降了一个数量级以上，充分展示了器件在低功耗、高性能柔性电子领域的重大应用潜力。

在应用层面，研究团队开发了保护层光刻技术，成功构筑了17×19的大规模有源矩阵，以及多种柔性逻辑门电路和放大电路，器件显示出优异的一致性与工艺兼容性。其中，基于有机隧穿晶体管的柔性放大电路凭借高放大效率与低功耗优势，在达到537 V V^-1高电压增益的同时，功耗降低至小于0.8 nW，可将人体眼电图信号从1.3 mV放大至684 mV，信噪比提高至71.5 dB，不仅超越现有技术水平，还能追踪细微眼球运动，为可穿戴医疗监测与人机交互提供支撑。另一方面，通过将有机隧穿晶体管应用于光体积描记传感电路，利用其高放大特性可监测栅极微小电位变化，使输出的脉搏波形完整且信噪比大幅提升，解决了独立传感器信号弱及易失真的问题，充分证明其在低功耗微弱信号处理领域的核心优势。

该研究突破了长期以来玻尔兹曼热电子发射理论对低电压有机晶体管设定的性能上限，有望引领有机电子学研究的发展，尤其为下一代高性能、低功耗柔性电子技术的规模应用提供了全新的思路。

相关成果以“Organic thin-film tunnel transistors”（有机薄膜隧穿晶体管）为题发表在《自然·电子》(Nature Electronics)上。论文第一作者为苏州大学邓巍教授，通讯作者为苏州大学张晓宏教授、揭建胜教授、张秀娟教授。同期，《自然·电子》（Nature Electronics）发表德国德累斯顿工业大学Hans Kleemann博士的评论文章“Lowering the barrier to organic tunnel transistors”，评价道：“这项工作是有机器件物理学和高能效柔性电子领域的重要突破。”

2 主要作者简介

第一作者

邓巍，苏州大学教授、博士生导师，入选江苏省青年科技人才托举工程。

主要从事有机半导体单晶材料与晶体管器件方面的研究，以第一和通讯作者在Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表研究论文70余篇。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目和江苏省自然科学基金青年项目。作为任务负责人参与国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金重点项目。获江苏省科学技术一等奖1项（排名4）。

通讯作者

张晓宏，苏州大学教授、博士生导师，教育部“苏州纳米科技协同创新中心”常务副主任，江苏省先进负碳技术重点实验室主任。国家杰出青年基金获得者，教育部国家级重点人才，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家重大研究计划项目（973）首席科学家，国家基金委创新研究群体项目负责人，英国皇家化学会会士，国务院政府特殊津贴获得者，国务院学位委员会评议组成员，国家基金委工程与材料科学部专家咨询委员会委员。

长期从事新型光电功能材料与器件的研究，已在Nature、Nat. Electron.、Nat. Mater.、Nat. Photon.、Nat. Energy、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等国际知名期刊发表论文580余篇；先后主持基金委创新研究群体、国家973项目、基金委重大研究计划集成项目、重点项目等20余项国家级科研项目。获美国和中国专利50余项，部分创新成果实现产业应用。获国家自然科学二等奖1项（排名1)，何梁何利基金科学与技术进步奖1项，省部级科学技术一等奖4项。

通讯作者

揭建胜，苏州大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，入选国家百千万人才工程、教育部新世纪优秀人才、英国皇家化学会会士，获国家“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院特殊津贴。

主要从事有机半导体单晶材料制备、性能调控以及高性能光电器件的研究。在Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等高水平期刊发表SCI论文300余篇。主持了包括国家重点基础研究发展计划（973计划）课题、国家杰出青年基金项目、国家自然基金重大研究计划项目、联合基金重点项目、重点国际(地区)合作与交流项目等在内国家和省部级项目近20项。成果获江苏省科学技术一等奖（排名1），安徽省科学技术奖二等奖等奖励多项。连续入选爱思唯尔中国高被引学者，以及斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。

通讯作者

张秀娟，苏州大学教授、博士生导师，教育部国家级重点人才，国家优秀青年基金获得者。

主要从事有机半导体单晶材料与光电器件的研究，发表SCI论文170余篇，包括Nat. Electron.、Nat. Commun、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater等。主持了包括国家自然科学基金优青项目、重大研究计划培育项目、面上项目、国际合作项目等多个项目，参与国家重点研发计划项目2项。获国家自然科学奖二等奖（排名3），北京市科学技术奖一等奖（排名2），江苏省科学技术一等奖（排名3）等国家及省部级奖励多项。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01462-7