研究背景

长期以来，柔性电子被设想为先进产品开发和制造的下一个突破性技术，在过去十年中获得了学术界和工业界的极大关注。柔性电子产品的普及主要是由于有机材料和器件的独特优势，它具有成本效益、低温可加工性、机械柔软性和形状适应性，这些都是传统的、基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的刚性系统难以获得。事实上，目前柔性电子系统的成功在很大程度上依赖于薄膜场效应晶体管(FET) 器件的性能和可靠性。MOSFET构成了几乎所有移动通信芯片、固态存储器(NAND闪存、动态随机存取存储器等)、主动矩阵显示器、微处理器和主流半导体行业的图形适配器以及众多其他电子应用的主干。后来，这一概念被扩展到基于氢化非晶硅(a-Si:H) 的薄膜晶体管(TFT)，目前被广泛用作玻璃基板上有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的像素驱动设备。然而，实现许多未来的应用，如柔性显示、生物电子应用、智能标签、塑料薄膜上的传感器等，并不完全可以实现。主要原因是，MOSFETs 和a-Si: H TFTs通常是用无机材料制造的，这些材料具有机械刚性，需要较高的加工温度。即使已经报道了将多晶硅器件转移到柔性基材上的技术，这些技术需要昂贵而复杂的制造步骤。另一方面，有机场效应晶体管(OFET)为此类应用提供了一个可行的替代方案，因为所有相应的层都可以在低/室温下使用低成本的溶液加工方法进行沉积，而且大多数有机半导体(OSC) 表现出一定程度的机械灵活性。
    开发柔性可适应的设备，其性能可以在不断变形的情况下保持，为实现下一代可穿戴和电子纺织品的应用提供了一个重要步骤。有机场效应晶体管(OFETs) 对柔性和轻质产品特别有趣，因为它们具有低温溶液加工能力，而且有机材料的机械灵活性赋予OFETs 与塑料和生物降解基质的天然兼容性。

研究成果

在此，意大利Bruno Kessler Foundation (FBK) Ali Nawaz教授及巴西Mackenzie Presbyterian Institute Carlos C. B. Bufon教授对两种相互竞争的柔性OFET技术，即平面和垂直OFET (分别为POFET 和VOFET)进行了深入回顾。对POFETs和VOFETs的电气、机械和物理特性进行了严格的讨论，重点是四个关键的应用(集成逻辑电路、发光器件、存储器和传感器)。报告指出，相对较新的VOFET技术的柔性功能，以及其对推进柔性POFET 应用的观点，迄今尚未得到审查，关于基于POFET和VOFET的柔性应用性能的直接比较很可能不存在。通过对印刷和可穿戴电子设备、材料科学、生物技术和环境监测的讨论，促进了POFET和VOFET柔性电子的发展。相关文章以“Impact of Planar and Vertical Organic Field-Effect Transistors on Flexible Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1 Some important electronic applications enabled by the flexible OFET technology.

总结与展望

OFET器件的机械灵活性正成为开发下一代可适配电子器件的一个越来越重要的标准。为此，除了开发新型有机材料外，使用创新的制造技术和器件结构也发挥着关键作用。值得注意的是，能够将晶体管缩小到纳米级的技术，从而提高OFET的电流驱动能力和开关速度，正在获得越来越多的关注。在新兴的OFET架构中，考虑的是以垂直架构制造的器件(即VOFETs)，其中短的纳米通道长度不是由横向图案化步骤而是由OSC薄膜厚度定义的。这些图案化或穿孔的中间(源) 电极允许电场穿透活性层，从而实现电荷载流子的调制。与传统的平面OFETs (即POFETs) 相比，VOFETs可以很容易地缩小到纳米甚至单层规模，而不需要高成本的制造技术，这有助于在较低的工作电压下实现更高的电流密度和工作频率。目前的大部分研究活动都集中在解决与开发可重复和可扩展的VOFET器件有关的几个制造挑战。然而，OSC材料与这种先进架构的兼容性有可能为整个器件的性能提供额外的提升。这篇综述从技术和科学的角度比较了这两种技术(POFETs 和VOFETs)，并讨论了它们在四个重要的柔性电子应用中的应用，即集成逻辑电路、发光器件、存储器和传感器。
    尽管VOFETs具有很好的特性，但在这种技术变得无处不在并与已经开发的POFET技术相提并论之前，仍然需要很多工作。目前的调查显示，在柔性电子应用中测试VOFET的研究有限。例如，在柔性逻辑电路方面，只有一篇论文报道了开发基于VOFET的柔性逆变器。因此，对器件的机械灵活性如何影响其电气性能进行更多的调查，是使VOFET在未来柔性应用中发挥作用的前提。柔性晶体管的基本标准是在受到机械应力时保持其电气性能。在平面OFETs 的情况下，拉伸、弯曲或拉长器件超过一个特定的限度，可能会导致OSC薄膜形态中形成垂直纳米裂缝。另一方面，在VOFETs中，垂直(面外)电流流动主要不受面内裂纹的影响。因此，我们确实相信，在这个方向上的研究工作可以使新一代的高度灵活的微电子技术具有卓越的电气和机械性能。
    OFET被认为是柔性OLED显示器的理想背板，因为OSC材料具有优异的机械性能。新兴的紧凑型和可滚动的显示器正在发现巨大的研究关注。可滚动性的主要要求之一是显示器的厚度，据报道，通常比传统开发的柔性显示器薄3倍。因此， 开发更薄、更紧凑的OFET器件是一个日益增长的要求。在这方面，VOFETs 提供了一个可行的解决方案，因为它有可能整合纳米级的通道长度。VOFETs的紧凑设计使其成为整合到具有高像素密度的柔性OLED显示器的理想候选器件，同时，允许该器件达到更高的导通电流密度，从而使显示器更加明亮。此外，VOFETs可以使用功能性的OSC材料来制备，这也使器件的发光特性得以实现。有源矩阵显示器将实现更明亮的显示，同时减少像素驱动器中的晶体管数量和占用的空间。期望有更多的研究致力于这一领域，特别是开发能保证高性能和最佳机械性能的材料和新型器件结构。有待解决的一个重大挑战是平衡OSC材料的电气性能和机械性能。改善OSC机械灵活性的最常用策略是它们的几何工程，尽管它通常需要复杂的制造工艺，也不利于大面积的集成。
    文献链接Impact of Planar and Vertical Organic Field-Effect Transistors on Flexible Electronics, Doi: 10.1002/adma.202204804.