文章名稱：Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors

期刊名稱：Nature Nanotechnology IF：38.3

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01707-0

【引言】

光伏納米單元可以提升光伏轉(zhuǎn)換效率，是有機(jī)光電材料相關(guān)研究中十分重要的一個研究領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)成像芯片需要被集成到越來越大，越來越復(fù)雜的集成電路中。雖然打印、絲網(wǎng)印刷和掩模蒸發(fā)等技術(shù)的發(fā)展，解決了有機(jī)成像芯片在電路集成中的一些困難。但是，有機(jī)成像芯片在往大規(guī)模電路中集成時還需面臨光伏性能與小型化之間取舍這一難題。在小規(guī)模集成時，光伏成像芯片的表現(xiàn)尚可，當(dāng)進(jìn)行中等規(guī)模集成時芯片的性能就會有3到5個數(shù)量級的降低。

為了解決上述難題，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)課題組提出了基于光伏納米單元增強(qiáng)方案，利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3將基于鈣鈦礦量子點(diǎn)的核殼結(jié)構(gòu)光伏納米單元嵌入光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體中，突破了光伏能與器件微型化之間取舍這一難題，成功實(shí)現(xiàn)了高性能有機(jī)光晶體管的大規(guī)模集成。相關(guān)研究成果以《Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors》為題，發(fā)表于SCI期刊《Nature Nanotechnology》上。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 光伏納米單元結(jié)構(gòu)示意圖。a)所設(shè)計的光電納米單元（上）和傳統(tǒng)光伏單元（下）的比較。b)透射電鏡揭示從鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）與有機(jī)半導(dǎo)體（OSC）逐步結(jié)合成PQD納米單元的過程。c)基于PQD納米單元和傳統(tǒng)的平面光伏單元的工作原理對比圖。

圖2. PQD納米單元制備的大規(guī)模集成成像芯片。a)PQD納米單元和可光刻有機(jī)半導(dǎo)體（POSC）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b)在光作用下PQD和POSC的膠連過程。c) POSC 和PQD-POSC在紫外光下的不同曝光劑量曲線。d)不同尺寸，不同形狀的PQD-POSC曝光結(jié)果。e)-h)在不同基底上的曝光結(jié)果。i)和j)在硅基底和PDMS基底制備的大規(guī)模集成成像芯片。k)商用相機(jī)像素密度和用不同圖案化工藝制備的有機(jī)成像傳感器的像素密度的比較圖。

圖3.基于PQD納米單元-POSC的互聯(lián)有機(jī)光傳感器（OPT）陣列。a)集成電路中互聯(lián)連接陣列示意圖。b)互聯(lián)陣列的層間信息。c)在硅基底上制備的高密度互聯(lián)陣列的光學(xué)表征結(jié)果。d)所制備器件性能均一性統(tǒng)計結(jié)果。e)在6寸硅片上制備的高密度互聯(lián)OPT陣列的光學(xué)和f)器件均一性表征結(jié)果。

圖4. 基于PQD納米單元制備的仿生視網(wǎng)膜。a)用PQD納米單元制備仿生視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)圖。b)PQD納米單元的累積光充電示意圖。c)基于PQD納米單元制備的仿生視網(wǎng)膜雙脈沖易化(PPF)曲線。d)在90度彎曲和10%拉伸1000次后的Id曲線。e)5x5的OPT陣列隨光信號的興奮性突觸后電流(EPSC)變化圖。f)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。g)在不同噪聲條件下，商用CMOS和基于PQD納米單元的光傳感器識別信號準(zhǔn)確率對比圖。h) 在不同噪聲點(diǎn)密度下，商用CMOS和基于PQD納米單元的光傳感器識別信號準(zhǔn)確率對比圖。

【結(jié)論】

綜上所述，復(fù)旦大學(xué)課題組所提出的光伏納米單元概念能夠通過納米尺度調(diào)制，克服器件光電性能與小型化之間取舍的難題。此外，將納米單元加入可光刻的有機(jī)半導(dǎo)體中，通過光交聯(lián)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的聚集結(jié)構(gòu)和界面，保持光轉(zhuǎn)換和調(diào)制性能，對抗長期存儲、熱損傷和基板應(yīng)變，為高性能集成光電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用提供了前景。本文中使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3可以滿足科研中不同的光刻需求，如不同基底，不同劑量，不同曝光層的大規(guī)模光刻。得益于無掩模的優(yōu)勢，MicroWriter ML3可以快速迭代優(yōu)化相關(guān)設(shè)計，幫助提升科研效率。

圖5. 通過MicroWriter ML3自帶的軟件設(shè)置，可以輕松調(diào)節(jié)光刻時特定區(qū)域的曝光劑量。

圖6. MicroWriter ML3可以在不同基地上進(jìn)行不同精度的光刻。

圖7. MicroWriter ML3可以根據(jù)需求對芯片進(jìn)行多層光刻。