Full-Photolithographic High-Density Skin-Like Transistor Arrays for All-Organic Active-Matrix Displays

Peng Xue, Juntong Li, Xiaoli Zhao*, Yanping Ni, Hongyan Yu, Xianghui Liu, Bowen Xiang, Yao Fu, Junru Zhang, Baoying Sun, Pengbo Xi, Xiang Song, Yijun Shi, Guodong Zhao, Mingxin Zhang, Yanhong Tong, Qingxin Tang* & Yichun Liu

Nano-Micro Letters (2026)18: 270

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02107-w

本文亮点

1. 通用可规模化全光刻OTFT制备策略：提出了一种通用且可规模化的全光刻OTFT制备策略，该方法与有机半导体材料完全兼容，可实现高精度半导体微图案化，成功构筑集成密度达6.25 × 10⁴ cm⁻2的高密度有机薄膜晶体管阵列。

2. 构筑类皮肤可变形全有机AMOLED阵列：基于该晶体管阵列，进一步制备了具有类皮肤可变形能力的全有机AMOLED阵列。该阵列不仅表现出稳定的电致发光性能，还具备约24.3 g m⁻2的超低面密度以及优异的曲面贴合能力，为下一代柔性与可穿戴显示器件的发展提供了重要技术路径。

研究背景

有机薄膜晶体管(OTFT)凭借优异的机械柔性、低温加工特性和轻量化优势，成为构筑下一代柔性、可拉伸电子器件的核心元件，在柔性显示、电子皮肤、可穿戴传感等领域具有广阔的应用前景。其中，高密度OTFT阵列更是实现高分辨率柔性显示和大规模柔性电子系统的关键基础。但随着阵列集成度的不断提升，传统制备技术在图案分辨率、对准精度和大面积均匀性方面的短板日益凸显。尽管光刻技术是微电子领域高精度图案化的核心技术，拥有不可替代的优势，但其工艺中的溶剂和化学过程易对有机半导体造成损伤，无法直接应用于有机半导体器件制造。这一工艺兼容性难题，也成为制约高密度OTFT阵列规模化集成和实际应用的核心技术瓶颈。

内容简介

针对这一技术瓶颈，东北师范大学汤庆鑫教授、赵晓丽副教授团队展开技术攻关，创新性提出全光刻制备策略，成功构筑出高密度、高性能的类皮肤 OTFT 有源矩阵阵列。团队通过融合“协同界面调控”与“双保护层辅助光刻”两大核心技术，突破了光刻工艺与有机半导体体系的兼容性难题，实现了高精度器件图案化，最终制备出集成密度可灵活调控的 OTFT 阵列，其最高密度达 6.25×10⁴ cm⁻2，跻身目前已报道全光刻 OTFT 有源矩阵阵列的最高水平行列。该阵列在不同集成密度下均保持稳定且优异的电学性能，平均载流子迁移率超过1 cm2V⁻1s⁻1，确保了器件的实际应用潜力。在此基础上，团队将 OTFT 阵列与有机发光二极管(OLED)直接集成，成功制备出具备寻址能力的全有机 AMOLED 阵列，充分验证了该全光刻策略在系统级集成中的可行性。该研究不仅为高密度、高性能 OTFT 有源矩阵阵列的制备提供了通用、可扩展的技术路线，更为下一代可穿戴电子、类皮肤电子系统的研发奠定了坚实的技术基础。

图文导读

I 全光刻工艺创新设计 打造超轻高柔类皮肤 OTFT 阵列

如图1所示，研究团队提出了一种全光刻协同设计策略，用于构筑类皮肤OTFT有源矩阵阵列。通过优化器件结构、界面工程和有机半导体图案化工艺，实现了对有机半导体的无损微米级图案化，并显著提升了器件的电学性能和阵列均一性。同时，采用共享寻址引线结构设计，有效降低了阵列布线复杂度，为高密度集成提供了关键基础。得益于柔性材料体系和嵌入式电极结构，该阵列不仅具备优异的电学性能，还展现出超轻与高柔性的特点，可紧密贴合复杂曲面结构，展示了其在柔性显示和可穿戴电子系统中的应用潜力。

图1. 全光刻类皮肤OTFT有源阵列的设计与制备。

II 全光刻工艺OTFT阵列：实现器件高密度集成与性能均一性突破

如图2所示，研究团队通过实验验证了全光刻策略在高密度 OTFT 阵列构筑中的可扩展性，该阵列可稳定贴合于三维曲面，器件在微米尺度实现高度有序排布，最小沟道长度仅5 μm。在6.25×10⁴ cm⁻2的高密度集成条件下，阵列仍保持优异电学性能，平均载流子迁移率达 1 cm2V⁻1s⁻1，且所有器件迁移率均超 1 cm2V⁻1s⁻1。此外，该阵列经多次弯折循环后性能依旧稳定，展现出卓越的机械可靠性，其集成密度处于目前全光刻 OTFT 阵列的领先水平，为大面积柔性电子系统的研发提供了核心技术支撑。

图2. 全光刻工艺制备的OTFT阵列。 

III 协同界面调控：助力OTFT阵列性能提升

如图3所示，研究团队从载流子注入与传输两个关键环节出发，系统揭示了器件实现高性能的界面调控机制。在电极–半导体界面，通过五氟苯硫醇(PFBT)对金(Au)电极进行自组装单分子层修饰，可有效提高电极功函数，使其与有机半导体 IDTBT 的能级更加匹配，从而降低空穴注入势垒并显著减小接触电阻。Kelvin 探针力显微镜测试表明，PFBT 修饰后电极表面电势明显降低，功函数由约5.11 eV提升至5.28 eV，器件输出特性也随之表现出更线性的电流–电压关系，证明载流子注入效率得到显著提升。与此同时，在栅极–介电层界面，研究团队选用可进行等离子体表面羟基化处理的有机硅介电材料DC 1-2577，增强了介电层与栅电极之间的界面黏附力，使两者形成紧密接触，从而保证稳定的电场调控和高效载流子传输。相比之下，传统PMMA介电层在等离子体处理后会出现明显刻蚀与粗糙化，导致器件性能下降。两大界面的协同优化，构建了低势垒、高稳定性的界面体系，为器件获得优异电学性能奠定了关键物理基础。

图3. 协同界面调控实现高效电荷注入与传输。 

IV 全有机AMOLED阵列成功制备，解锁柔性显示应用场景

如图4所示，研究团队进一步验证了高密度OTFT有源矩阵阵列在实际系统中的应用潜力，通过将其与OLED集成，成功构筑了全有机有源矩阵AMOLED器件。在该结构中，OTFT阵列作为驱动背板，通过栅电压与数据信号电压实现对OLED发光电流的精准调控。为满足底发射结构的光学需求，研究团队选用高透明导电聚合物PEDOT:PSS作为电极材料，并结合像素定义层(PDL)实现像素区域的精确限定，从而有效避免像素间串扰并提升器件表面平整度。光电测试结果表明，所制备OLED器件在约560 nm处呈现稳定黄色发光，光电转换性能优异。在集成系统中，OTFT 阵列能够稳定调控OLED的驱动电流，最大输出电流超过0.1 mA，并在多次开关循环测试中保持稳定工作，展现出可靠的器件稳定性。该研究成功实现了OTFT阵列与 OLED发光单元的系统级集成，为构筑高分辨率柔性显示器件以及下一代可穿戴电子系统提供了重要技术基础。

图4. OTFT 阵列驱动的全有机AMOLED器件的制备与表征。

如图5所示，研究团队进一步展示了全有机AMOLED阵列在柔性与可穿戴应用方面的独特优势。得益于NOA68构筑的全有机柔性体系，该器件展现出优异的机械柔性和皮肤贴合能力，为类皮肤显示器件的实现奠定了基础。显微镜图像表明，所构筑的AMOLED阵列 具有清晰的布线结构和规则的像素排布，线宽与间距均为500 μm，为后续与柔性印刷电路(FPC)的可靠连接和像素驱动提供了基础。值得注意的是，该器件的面密度仅为24.3 g m⁻2，展现出超轻特性，当放置在花瓣表面时几乎不会引起任何形变，直观体现了其极薄与轻量化优势。通过与柔性电路板连接并施加外部电源，器件能够实现稳定发光，并在多次开关操作中保持清晰的亮灭对比，成功演示了像素级点亮与显示功能。最终，AMOLED 阵列能够显示字母图案“N”，验证了该全光刻OTFT阵列在OLED驱动与柔性显示系统中的应用可行性。该研究展示了一种兼具高柔性、超轻量与稳定驱动能力的全有机AMOLED显示系统，为下一代可穿戴与类皮肤电子显示技术的发展提供了重要技术路径。

图5. 超轻量、类皮肤型全有机 AMOLED 阵列。

V 总结

本研究的核心在于建立了一套通用、可扩展的全光刻制备策略，成功突破了有机半导体图案化和大面积集成的技术瓶颈，实现了高密度OTFT有源矩阵阵列的全光刻集成。团队通过 “协同界面调控” 与高精度有机半导体图案化技术的深度融合，让制备的 OTFT 阵列同时兼具优异的电学性能、良好的器件均一性和超高集成密度，为有机半导体器件的高密度集成提供了全新解决方案。在此基础上，全有机 AMOLED 阵列的成功构筑，进一步验证了该技术在柔性电子系统中的应用潜力，其稳定的发光性能、超低面密度和优异的曲面贴合能力，让类皮肤、超轻量的柔性显示成为可能。整体而言，该研究为先进微纳制造技术与有机半导体的深度融合搭建了关键桥梁，不仅为高分辨率柔性显示、类皮肤电子器件的研发提供了核心技术支撑，更推动了新一代可穿戴电子平台的发展进程。

作者简介

汤庆鑫

本文通讯作者

东北师范大学 教授

▍主要研究领域

(1)基于光刻的柔弹性电子器件与电路集成。(2)有机场效应晶体管器件及光刻集成。(3)柔性可拉伸传感器。

▍主要研究成果

2007年博士毕业于中国科学院化学研究所物理化学专业，2008-2010年在丹麦哥本哈根大学从事博士后研究工作，全国优秀博士学位论文、吉林省自然科学一等奖、国家自然科学二等奖获得者。主要从事基于有机材料的柔性电子器件和电路研究，致力于将现代电子产业中广泛使用的光刻技术与有机柔性电子学结合，实现有机材料在电子皮肤、可穿戴电子等领域的应用。

▍Email：tangqx@nenu.edu.cn

赵晓丽

本文通讯作者

东北师范大学 副教授

▍主要研究领域

有机场效应器件的光刻集成。

▍主要研究成果

东北师范大学副教授，国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。2015年博士毕业于东北师范大学凝聚态物理专业，2016-2018年在东北师范大学物理学院从事博士后研究，出站后留校工作。主要从事柔弹性电子器件的光刻集成研究，致力于将现代电子产业技术—光刻技术引入到有机柔/弹性材料中，推动了电子皮肤、人工智能、可穿戴电子领域的发展。

▍Email：zhaoxl326@nenu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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