后摩尔时代对低能耗、智能化和轻量化的电子器件提出了更高需求，柔性有机晶体管技术有望突破传统晶体管的局限性，并推动新一代电子器件的应用发展。为了架构高性能柔性有机晶体管与集成器件，
重庆大学输变电装备技术全国重点实验室尹志刚教授课题组
结合在该领域的多年积累，研究分析了实现低功耗有机软体晶体管的主要介电工程策略（包括设计高介电常数有机绝缘材料、发展固态聚电解质介电材料以及利用液态
/
凝胶电解质等），并阐明了器件的工作机制，探讨了
低功耗的有机晶体管及其器件阵列和集成系统在柔性可穿戴电子、生物医学电子、神经形态电子及感存算技术等领域的重要机遇和挑战
（图
1
）。该工作发表在
Cell
出版社旗下高水平综合期刊
The
Innovation
2024, 5, 100616
（并入选当期封面导读内容），对推动有机
/
柔性电子集成器件与设备的制造、软体电路和智能芯片等的变革性发展具有积极意义。
图
1.
低功耗有机软体晶体管的介电工程架构策略及新兴电子应用
近期，尹志刚教授等人在此基础上
开发出氯化锌掺杂的一类新型柔性聚电解质杂化介电薄膜材料，并用于设计和制造多级非易失性低电压柔性有机场效应晶体管（
OFET
）存储器
。研究表明，该类存储器能在
-
1.5
V
的低工作电压下实现
0.548 V
的宽记忆窗口，展现出优越的存储性能。通过调节栅极电压，该团队成功调控了新型聚电解质杂化介电薄膜中的离子迁移能力，从而赋予柔性
OFET
存储器出色的存储能力。存储器还能够通过编程栅极脉冲电压有效地写入数据，并依赖反向栅极脉冲电压及紫外光辐照进行数据擦除。此外，低功耗
OFET
存储器可被集成为柔性存储器阵列实现成像与图像处理应用。在此过程中，利用均值电流输出电路平滑成像点处的电流并成像，可以显著提高图像边缘清晰度并保留关键信息，同时减少成像图的存储空间。这一创新研究成果，展示了
新型柔性聚电解质杂化介电材料及其低功耗
OFET
存储器在信息感知、存储与计算领域的诱人应用潜力
。
该团队选择此前发明的
聚丙烯酸（
PAA
）和聚乙二醇（
PEG
）
交联化高电容聚电解质介电复合薄膜体系，并创新性
引入含量可调的
ZnCl₂
，以获得电学性
质优的柔性聚电解质杂化
介电薄膜。
ZnCl₂
的引入
可以增加聚电解质体系中自由移动离子的数量，增强介电薄膜的离子迁移能力以及在低频区的双电层
效应，使得
OFET
存储器在低电压下能够更高效地运行。
研究发现
，在编程栅极偏置脉冲作用下，
ZnCl₂
掺杂聚电解质介电
薄膜中的离子能够迁移至不同位置，从而促进柔性
OFET
多级存储特性的实现。通过能量色散
X
射线光谱（
EDS
）元素映射
分析（图
2
）
，该团队验证了施加偏置电压后，掺杂
ZnCl₂
的聚电解质
杂化介电薄膜中的带电离子能够有效迁移，从而直观揭示了在电场作用下该类新型聚电解质杂化介电薄膜中离子的可控迁移能力。
图
2
.
聚电解质
杂化介电
薄膜
在不同电压作用下
的元素分布
状态
图
多级非易失性低电压
OFET
存储器的设计和性能
：
为了设计柔性
OFET
存储器，该团队采用顶栅底接触
式器件结构，在塑料基底上
制造了基于
ZnCl₂
掺杂聚电解质
杂化介电薄膜的柔性
OFET
存储器
（图
3
）。基于
2.62 wt.% ZnCl₂
掺杂的聚电解质
杂化介电薄膜，所
制备的柔性
OFET
存储器表现出
可观的电学
性能，具有较小的阈值电压（
−0.18 V
）、较高的载流子迁移率（
2.30 cm² V⁻¹ s⁻¹
）和开关电流比（
0.66 × 10⁴
）。研究结果表明，适量
ZnCl₂
掺杂的聚电解质
杂化
介电薄膜赋予柔性
OFET
存储器良好的低功耗
运行潜力及优良的电学性能。
图
3
.
多级非易失性低电压
OFET
存储器的
柔性
器件结构和电学特性
由于
ZnCl₂
掺杂后
薄膜的离子迁移能力增强，基于这种新型聚电解质杂化介电薄膜的可控离子迁移特性，有望
提升柔性
OFET
存储器的
存储性能（图
4
）。研究发现，较之未掺杂聚电解质介电薄膜的对照组器件
，
ZnCl₂
掺杂的聚电解质
杂化
介电薄膜显著提高了
OFET
存储器的
Δ
V
T
，其中
2.62 wt.%
和
5.23 wt.% ZnCl₂
含量的
器件
，最大记忆窗口分别从
0.279 V
增大至
0.548 V
和
0.411 V
。
基于
2.62 wt.% ZnCl₂
的
OFET
存储器
，其最大记忆窗口将近是对照组器件的两倍。结果表明，基于离子迁移的聚电解质杂化介电薄膜所构建柔性
OFET
存储器展现出优异的
静态存储特性。通过控制不同幅度和持续时间的栅极脉冲电压，能够有效地写入数据。同时，施加反向栅极脉冲电压
有助于
OFET
存储器的
数据擦除，借助紫外光辐照则可以进一步实现数据信息的快速擦除过程。
图
4
.
多级非易失性低电压
OFET
存储器的静态存储特性
OFET
存储器的动态存储性
可通过电脉冲刺激进行有效评估。为此，研究团队进一步对该类柔性低电压
OFET
存储器施加了
10
个电脉冲，每个脉冲的持续时间为
0.5
秒，脉冲间隔为
0.5
秒。通过使用电脉冲，可以有效防止器件形成长期记忆，从而确保器件在操作过程中具备优异的可读性、效率和准确性。
研究
结果表明，
ZnCl₂
掺杂引发的聚电解质
杂化介电薄膜中的离子迁移效应增强，导致较大的边缘电场，从而使得电脉冲电压所产生的漏电流持续时间更长，相应器件存储性能得到大幅提升（图
5
）。
图
5
.
多级非易失性低电压
OFET
存储器的动态存储特性
柔性低电压
OFET
存储器阵列的图像处理应用
：
该研究中的柔性轻量化
OFET
存储器
，由于采用离子迁移能力可调的新型聚电解质杂化电介质，使得器件具备低功耗运行、宽记忆窗口、多级存储以及有效擦除等功能。这些特性使得该类存储器适合进一步集成为柔性
OFET
存储器阵列，用于图像处理和模拟计算。研究结果表明，通过存储器阵列实现的人物电脉冲成像图可以较清晰地呈现出人物像素图中的细节，但图像边缘的清晰度仍有待提高。进一步利用简单的附加电路可实现对成像图的平滑处理，相比于存储阵列的人物电脉冲成像图，经过平滑处理后的图像较之阵列成像图在整体清晰度上有明显提升，尤其在边缘和关键点部分，在成功保留人物像素图关键信息的同时，有效缩减了原始图像约四分之三的存储空间，并能使图像平滑处理图更有形象立体感。这些结果展示了低电压柔性
OFET
存储器
及其存储阵列在电脉冲成像、图像处理及计算等方面的潜力，尤其是在低能耗的先进信息存储技术领域具有很好应用前景。
图
6
.
柔性低电压
OFET
存储器阵列
及图像处理
应用
综上所述，该团队
在
PAA:PEG
聚电解质复合介电薄膜
中率先引入氯化锌提升其
离子迁移能力
，并
通过调节编程栅极脉冲
电压实现对
离子迁移
效应的有效调控
，从而
实现多级存储特性的柔性低电压
OFET
存储器
及存储阵列
。
该类非易失性存储器可在
-1.5 V
的低工作电压下
，
覆盖
36.5%
的扫描范围
，呈现
出
0.548 V
的宽记忆窗口；且能通过编程栅极脉冲电压有效写入数据，并通过反向栅极脉冲与紫外光辐照进行数据信息擦除。
得益于该类
OFET
存储器的快速存储和便捷记忆特点，器件
还被集成设计为柔性
低电压
OFET
存储
器
阵列，
实现
高效的电脉冲成像和图像平滑处理
应用
。
研究结果表明，新型聚电解质杂化介电复合材料
在低功耗柔性
OFET
器件开发中具有良好潜力，将有效推动高性能
OFET
存储器在先进传感、信号处理、数据存储等领域的广泛应用。
该工作以研究全文发表在
Chemical Engineering Journal
2025, 504, 158625
上。文章第一作者是中国科学院大学
/
福建物质结构研究所硕士生
刘昌东
（重庆大学联合培养）；论文通讯作者是重庆大学
尹志刚教授
；南京大学
郑庆东教授
对该工作给予了大力支持。该研究得到国家自然科学基金、重庆英才计划青年拔尖人才项目、国家电网总部科技项目以及重庆大学青年学者专项的共同支持。
原文链接：
1. Changdong Liu, Zhigang Yin*, Yuting Liu, Qingdong Zheng, Flexible polyelectrolyte hybrid dielectrics for multilevel nonvolatile low-voltage organic transistor memories.
Chemical Engineering Journal, 2025, 504, 158625.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158625
2. Ziyang Liu, Yaoshen Zhao, Zhigang Yin*, Low-power soft transistors triggering revolutionary electronics,
The Innovation
,
2024, 5, 100616
.
https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100616
通讯作者简介：
尹志刚教授
简介：重庆大学教授、博士生导师。
2011-2022
年在中国科学院福建物质结构研究所历任研究实习员、助理研究员、副研究员、研究员和博导；
2018-2020
年留学德国柏林洪堡大学、马普学会
Fritz-Haber
研究所任访问学者和访问教授。
2022
年底调入重庆大学电气工程学院
/
输配电国家重点实验室任教授、博导、
PI
。从事光电薄膜和器件（晶体管、传感器、太阳能电池、探测器等）、柔性电子及感存算技术、新型电工材料与装备智能化的研究，主持装发预研基金、国家自然科学基金面上项目、重庆市重大专项课题等
13
项，在
The Innovation
、
Adv. Energy Mater.
、
Adv. Sci.
、
Adv. Funct. Mater.
、
Nano Energy
等期刊发表论文
60
余篇，被引
5800
多次。入选中科院青年创新促进会会员、重庆青年拔尖人才、福建省杰青、福建省高层次人才等，获国际先进材料协会科学家奖章、福建省自然科学奖、国际
Vebleo
协会会士、德国
DAAD
学者等荣誉。担任
The Innovation Materials
、
Materials Today Electronics
