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換效率，是有機光電材料相關研究中十分重要的一個研究領域。隨著信息技術的發展，有機成像芯片需要被集成到越來越大，越來越復雜的集成電路中。雖然打印、絲網印刷和掩模蒸發等技術的發展，解決了有機成像芯片在電路集成中的一些困難。但是，有機成像芯片在往大規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。在小規模集成時，光伏成像芯片的表現尚可，當進行中等規模集成時芯片的性能就會有3到5個數量級的降低。

為了解決上述難題，復旦大學相關課題組提出了基于光伏納米單元增強方案，利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3將基于鈣鈦礦量子點的核殼結構光伏納米單元嵌入光交聯有機半導體中，突破了光伏能與器件微型化之間取舍這一難題，成功實現了高性能有機光晶體管的大規模集成。相關研究成果以《Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors》為題，發表于SCI期刊《Nature Nanotechnology》上。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【圖文導讀】

圖1. 光伏納米單元結構示意圖。a)所設計的光電納米單元（上）和傳統光伏單元（下）的比較。b)透射電鏡揭示從鈣鈦礦量子點（PQD）與有機半導體（OSC）逐步結合成PQD納米單元的過程。c)基于PQD納米單元和傳統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模集成成像芯片。a)PQD納米單元和可光刻有機半導體（POSC）的化學結構。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曝光結果。e)-h)在不同基底上的曝光結果。i)和j)在硅基底和PDMS基底制備的大規模集成成像芯片。k)商用相機像素密度和用不同圖案化工藝制備的有機成像傳感器的像素密度的比較圖。

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

圖4. 基于PQD納米單元制備的仿生視網膜。a)用PQD納米單元制備仿生視網膜的結構圖。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)卷積神經網絡示意圖。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確率對比圖。h) 在不同噪聲點密度下，商用CMOS和基于PQD納米單元的光傳感器識別信號準確率對比圖。

【結論】

綜上所述，復旦大學課題組所提出的光伏納米單元概念能夠通過納米尺度調制，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半導體中，通過光交聯實現了穩定的聚集結構和界面，保持光轉換和調制性能，對抗長期存儲、熱損傷和基板應變，為高性能集成光電子設備的實際應用提供了前景。本文中使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統- 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，不同曝光層的大規模光刻。得益于無掩模的優勢，MicroWriter ML3可以快速迭代優化相關設計，幫助提升科研效率。

圖5. 通過MicroWriter ML3自帶的軟件設置，可以輕松調節光刻時特定區域的曝光劑量。

圖6. MicroWriter ML3可以在不同基地上進行不同精度的光刻。

圖7. MicroWriter ML3可以根據需求對芯片進行多層光刻。