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柔性电子女神/「五院院士」鲍哲南领衔!首尔大学,最新Nature Materials!

2026-06-09 05:50:45

有机电子器件在人体界面、生物信号处理和实时反馈等应用中具有巨大潜力。有机发光晶体管（OLET）将发光功能与晶体管开关特性集成在单一结构中，为可穿戴和生物集成系统提供了理想平台。

然而，传统场效应OLET需要超过80V的高漏极电压，且复合区狭窄（<45μm）；电化学OLET（EOLET）虽可降低电压至3.5-5V，但依赖动态p-i-n结形成，导致复合区空间不稳定（<75μm）且易移动。

这些限制阻碍了OLET在低电压、大面积显示和神经形态视觉系统中的应用。因此，开发兼具超低电压操作和稳定宽复合区的单活性层OLET成为该领域的核心挑战。

现有策略难以同时满足低工作电压、宽复合区宽度和空间稳定性三重要求，迫切需要新的材料设计和器件物理机制来突破这一瓶颈。

近日，韩国首尔大学的Tae-Woo Lee在Nature Materials发表了题为"Ultralow-voltage electrochemical organic light-emitting transistors with pinned and wide lateral recombination"的研究论文。

核心亮点

1. 开发出单活性层电化学有机发光晶体管（EOLET），实现超低电压操作（<3.5V）和超宽复合区（267μm）。

2. 引入离子传输增强剂（ITE）促进阳离子迁移，在漏极界面形成双电层（EDL），有效降低电子注入势垒。

3. 通过抑制n型掺杂前沿的形成，实现了空间固定的复合区（PRZ），解决了传统器件中复合区动态不稳定的问题。

4. 器件可在低于带隙电压（|VDS| < |Eg/e|）下工作，最大亮度达826 cd m⁻²，并展示出良好的柔性和大面积可扩展性。

5. 成功构建4×4和10×10像素阵列，并集成到独立神经形态显示系统中，模拟生物疼痛感知，适用于可穿戴应用。

📄 全文速览

然而，传统单活性层有机晶体管面临电荷注入效率低下的问题，导致场效应器件需要高漏极电压（>80V），而具有p-i-n结的电化学器件也需要>3.5V电压，且复合区狭窄（<75μm）且空间动态变化。

该研究报告了一种具有漏极侧双电层形成的单活性层电化学有机发光晶体管，实现了超低电压操作（<3.5V）以及宽且空间固定的复合区。发光聚合物通道中的离子传输增强剂诱导漏极处形成双电层，克服了有限的电子注入且无需n型掺杂。

该机制使柔性大面积器件具有267μm的复合区宽度和826 cd m⁻²的最大亮度（3.5V），并可用两节1.5V电池驱动。该工作推进了单活性层OLET的发展，为具有直观可视化功能的有机电子系统铺平了道路。

📊 图文解读

图1 | 单活性层EOLET的设计原理与柔性器件示意图

该图展示了传统无ITE器件中受限于电子注入的工作机制，以及通过引入ITE在漏极侧形成双电层（EDL）以增强电子注入、实现空间固定复合区（PRZ）的原理。同时展示了柔性大面积EOLET的器件结构，突出了其在可穿戴显示应用中的潜力。

图2 | ITE掺入对LEP通道离子传输性能的改善

通过GIXD分析展示了ITE掺入导致的发光聚合物从卷曲到线性的构象转变，以及层状堆积距离的显著增加。PL光谱显示随着ITE含量增加，分子内发射增强。

原位UV-vis光谱和循环伏安曲线证实了ITE促进了离子传输和电化学掺杂速率，且阳离子注入比阴离子更受限制，有利于稳定EDL形成。

图3 | 漏极侧EDL形成的EOLET工作机制与阵列展示

通过原位光学显微镜直接观察了复合区的形成，证实其在不同栅压下保持空间固定。飞行时间二次离子质谱证明了OFF状态下阳离子向漏极的迁移，原位拉曼光谱验证了源极侧p型掺杂与漏极侧发光复合的分离。展示了4×4线型通道和10×10环绕电极阵列的均匀发光，证明了该策略的大面积可扩展性和几何适应性。

图4 | 柔性和大面积EOLET的性能表征与应用

展示了基于银纳米线栅极的柔性大面积EOLET的电气和光学转移特性，开/关比超过10⁴，最大亮度536 cd m⁻²。通过调控栅压和漏压实现了复合区宽度从0到267μm的可调性，且能在低于带隙电压下工作。

对比显示该机制比传统场效应和p-i-n结机制具有更宽的复合区。最后展示了集成柔性触摸传感器、振荡器和EOLET的独立神经形态显示系统，模拟生物疼痛感知。

📝 总结

总之，该研究展示了一种单活性层EOLET，实现了低于3.5V的超低电压操作和异常宽的复合区（约267μm），解决了OLET的根本性限制。

通过在LEP通道中掺入ITE，实现了无需额外电荷注入或传输层的高效离子传输，导致在漏极电极界面形成EDL，克服了本征电子注入势垒，允许在低于聚合物通道带隙电位的漏极电压下发光。

与依赖动态p-i-n结形成的传统EOLET不同，该工作阻止了n型掺杂前沿的形成，展现出与栅极电压无关的空间固定复合区（PRZ）。

因此，该器件实现了高达267μm的前所未有的复合区宽度和826 cd m⁻²的最大亮度（VDS=-3.5V），同时保持了简单的单活性层结构和机械柔性。

该工作为OLET建立了新的工作模式，为在简单有机晶体管架构中实现低电压和空间固定发光提供了机制见解，为未来具有直观视觉反馈的用户交互式有机电子系统奠定了基础。

Ultralow-voltage electrochemical organic light-emitting transistors with pinned and wide lateral recombination,Nature Materials,2026,DOI:10.1038/s41563-026-02613-7