在柔性电子技术不断突破的今天，传统光刻技术在硅基半导体器件制造中已成熟应用，但在有机电子领域仍面临重大挑战。如何在保证高精度图案化的同时，维持有机半导体的优异电荷传输和离子传输特性？这一问题长期制约着柔性电子和生物电子器件的发展。
为解决这一问题，东华大学王刚、孙恒达研究员联合四川大学冯良文研究员发表了基于光子-电子-离子杂化的有机半导体集成晶体管阵列的直接光刻工作，突破了传统光刻技术在杂化半导体体系中的技术瓶颈。相关研究以“Trace Dual-Crosslinkable Additives Enable Direct Microlithography for Enhanced Organic Electrochemical Transistors”为题且作为编辑推荐文章（Editor’s Choice）发表在学术期刊Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202417452）。相关工作得到了朱美芳院士指导，受到国家自然科学基金、国家重点研发项目等支持。
研究团队提出了一种"分子光影魔术"，即超分子协同光刻法。该突破的重点在于通过双重交联策略实现直接光刻，即：通过超分子氢键网络提供柔性支撑，确保材料在加工过程中不受损伤；通过光触发下的共价键网络构建稳定结构，使材料在溶剂环境中仍能保持完整性。得益于高效率的双重交联，只需要极低的添加量的光子交联剂（不到半导体材料重量的千分之一），就能实现所需功能。
更令人惊喜的是，这种分子级调控带来了多重增益效应。添加的光子交联剂使得原本无序的分子排列成有序队列，且拓宽了离子传输通道，使得材料的电子迁移率提升了42%，并使得有机晶体管的开关性能提高近一个数量级。基于此技术，成功在指甲盖大小的区域（1 cm2）集成22万个微型晶体管。
这项研究不仅拓宽了光刻工艺在有机电子领域的应用，更在柔性电子、生物电子、可穿戴设备等前沿领域展现了广阔的应用潜力。通过光子-电子-离子协同设计，成功实现了精准图案化与高性能电子器件的兼容，为下一代高密度有机电路提供了新的技术路线。
以下为本工作的具体研究内容：
双交联策略机制
本研究展示了一种突破性的直接微光刻（DML）技术，通过仅低于0.1 wt%的聚轮烷（PR）超分子交联剂，在n型有机混合离子-电子导体（PBFDO）薄膜中构建出双重交联网络。借助这一新机制，实现了PBFDO薄膜2 μm级的高精度图案化，且大面积图案均匀性出众。当适当提高PR的用量时，图案化的分辨率可进一步提升至600 nm。该技术为高密度集成化有机电子器件的制备提供了全新、高效的解决方案，展现了在柔性电子、生物电子等领域广阔的应用前景
图1 基于双重交联网络策略的直接微影（DML）工艺具体而言，聚轮烷（PR）交联剂由聚乙二醇（PEG）主链穿过多个改性环糊精构成，其中环糊精上引入的光反应性侧链可在紫外光照射下形成共价键；同时，环糊精上丰富的羟基与PBFDO之间形成氢键，从而建立起超分子交联网络。图2 有机离子-电子混合导体（OMIEC）中的超分子交联剂PR的双网络交联机制研究结果显示，适量添加PR超分子交联剂能显著诱导PBFDO薄膜中形成有序的边缘取向，并产生更大且更完善的结晶区域，从而大幅促进电子传输。此外，PR的引入还有效增大了聚合物层间距，改善了离子在链间的迁移，从而整体提升了电化学性能。基于PBFDO:PR复合薄膜制备的有机电化学晶体管（OECTs）展现出卓越的离子-电子耦合传输性能。实验结果显示，随着PR含量的增加，器件的关断延迟时间明显缩短；在PBFDO:PR=1:0.5条件下，最大归一化跨导提高近40%，同时开关比和响应速度均显著提升。低浓度PR添加使得μC*从1730 F cm-1 V-1 s-1提高至1860 F cm-1 V-1 s-1，而在最佳比例下（PBFDO:PR质量比为1:0.5），μC*达到2460 F cm-1 V-1 s-1，相比纯PBFDO薄膜提升约42%。此外，PR的引入有效降低了薄膜在充放电过程中的膨胀现象，从而显著增强了器件在5000脉冲循环下的长期稳定性。最终，利用全光刻工艺成功制备出高达2.2×105devices/cm²的OECT阵列，展示了优异的一致性和大规模集成化应用的潜力。本研究突破了传统光刻技术在有机半导体中的瓶颈，提出超分子协同光刻法，实现了高精度直接微光刻（DML）。通过智能分子胶水构建氢键-共价双重交联网络，在超低浓度（<0.1 wt%）下实现600 nm级精度图案化，并保持98%以上电荷传输效率。最终成功制备2.2×10⁵ devices/cm²的晶圆级OECT阵列，展现了在具身智能、柔性电子和可穿戴设备中的广阔应用前景，为有机电子器件的大规模集成提供了新思路。东华大学王刚研究员围绕“半导体功能纤维与器件”这一领域进行系统研究，代表性工作有：基于高精度混合流打印技术的聚合物半导体纤维薄膜基电子器件（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 202000398）；基于一体化流体加工的单纤维电化学晶体管（Adv. Electron. Mater., 2021, 7, 2100231）；高性能纤维状垂直结构有机电化学晶体管的曲面光刻策略（Chem. Mater., 2023, 35, 22, 9739）；基于精密纤维表界面调控的电子-离子杂化半导体纤维及神经界面应用（Nat. Commun., 2023, 14, 2355; Angew. Chem. Int. Ed., 2024: e202418999）。
