1 工作简介

         ——2D走向3D：柔性半导体实现毫米尺度体调制，开启3D软体晶体管新范式

晶体管是现代半导体技术的核心器件，其性能提升长期依赖于二维平面结构的微缩与集成。然而，随着传统硅基器件逐渐逼近物理极限，半导体器件在形态、材料与功能上的创新正变得愈发重要。与此同时，生物电子、类脑计算和柔性可穿戴系统等新兴领域迫切需要能够与软组织、三维结构和复杂环境相匹配的新型半导体材料与器件。

然而，现有半导体器件普遍具有刚性和二维结构的特点，与生物系统和复杂三维空间在力学性质、几何结构和信号交互方式上存在根本不匹配。此外，即便在有机电化学晶体管（OECT）等新兴混合导电器件体系中，所谓的“体调制”通常也只能在纳米至微米尺度内实现，当厚度增大时，离子扩散和离子-电子耦合迅速失效，使真正的三维调制难以实现。

香港大学张世明教授团队及合作者近期在《Science》上首次报道了一类真正意义上的三维水凝胶半导体体系，突破了传统半导体器件长期以来受限于“刚性—二维结构”的固有范式，为半导体材料与器件向柔性化、体积化和空间化演进提供了新的物理基础与工程路径 (图1)。

香港大学张世明教授团队通过构建双网络水凝胶体系并引入相工程与孔结构调控策略，在毫米尺度上实现了完整的离子–电子体调制，这是此前有机电化学晶体管和水凝胶半导体中从未实现的尺度突破。实验结果表明，该体系在厚度提升几个数量级的同时，仍保持线性的体电容–厚度关系，~10⁴的开关比以及显著提升的跨导与d·μ·C*指标，证明其并非“几何上三维”，而是在器件物理层面真正实现了三维体调制机制 (图2)。

图2. 3D水凝胶晶体管的电学性能。(A) 3D水凝胶半导体和二维有机半导体微观结构对比示意图；（B-C）三维水凝胶半导体为沟道的晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线；(D) 水凝胶半导体的厚度-电容关系；(E) 水凝胶半导体的特征参数(d*μ*C* )随厚度变化关系；（F）归一化后跨导值与文献对比。

更重要的是，这种三维水凝胶半导体同时具备组织级柔软性、生物相容性和结构可塑性，使晶体管通道不再局限于平面薄膜，而能够以自支撑、互穿和自由构型的形式构建真实三维器件与电路网络 (图3)。在此基础上，作者进一步构建了三维晶体管阵列与类脑储备池计算系统，成功实现了高准确度的手写字符识别，并在拉伸形变下保持稳定性能，展示了其在软体智能系统中的独特优势。该工作不仅为三维柔性电子、生物融合器件和神经形态计算提供了新的材料与器件平台，也从根本上拓展了“半导体”的空间维度与功能边界，预示着未来半导体技术将从二维微缩走向三维结构化与体积智能的新阶段。

图3. 基于3D水凝胶半导体的3D软体晶体管及应用。 (A) 可拉伸纤维状水凝胶半导体展示；(B) 包含 3D 水凝胶晶体管的集成神经形态电路示意图；(C) 3D 互穿水凝胶晶体管的实物图像；(D) 使用 3D 水凝胶晶体管阵列构建的储池计算硬件示意图；(E) 3D水凝胶晶体管的非线性特性；（F-G）在0%和30%的应变下基于水凝胶晶体管储池硬件的手写字符识别效果。

该研究以题为 “Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels” 的论文发表于国际著名期刊《Science》，并被选为当期封面文章。香港大学张世明教授和剑桥大学George Malliaras教授为该论文的通讯作者，香港大学博士生刘丁侥、白靖、田新宇和王妍为共同第一作者。该研究得到了香港研究资助局Collaborative Research Fund的资助。

2 主要作者简介

第一作者

刘丁侥，香港大学电机电子工程系博士。

主要研究方向为有机生物电子学、可穿戴传感交互界面。目前研究聚焦于高性能柔性电子器件的制备及其在智能健康监测与边缘计算中的应用。曾于西安交通大学获得应用化学学士学位，并于四川大学获得高分子科学与工程硕士学位。在Science、Nature Electronics、Science Advances等国际权威期刊发表多篇学术论文。

通讯作者

George Malliaras，剑桥大学菲利普亲王技术教授，剑桥大学生物电子实验室主任。

专注有机生物电子技术研究。他于荷兰格罗宁根大学获得博士学位，并在IBM Almaden Research Center完成了博士后研究。在加入剑桥大学之前，他曾在法国圣艾蒂安矿业学院和康奈尔大学担任教职，并曾担任康奈尔纳米尺度设施（Cornell NanoScale Facility）的主任。Malliaras教授是英国皇家学会（Royal Society）、欧洲科学院（Academia Europaea）及欧洲科学学会（European Academy of Sciences）院士。

通讯作者

张世明，香港大学电机电子工程系助理教授，香港大学智能可穿戴生物电子实验室（WISE Research Group）首席研究员。

专注于有机混合导电半导体的研究及其在可穿戴传感和边缘计算技术中的应用。他于加拿大蒙特利尔大学工学院获得博士学位，并在美国加州大学洛杉矶分校完成了博士后研究。张教授目前担任《Advanced Electronic Materials》国际顾问委员会委员， IEEE Electron Devices Society生物医学器件委员会委员，《Advanced Science》和《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》客座编辑。

3 原文传递

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514