為什么要從“數量集成”轉向“功能集成”

現代電子學的發展依賴“數量集成”，即通過不斷縮小晶體管尺寸來提高電路集成度，進而提升算力。然而，隨著尺寸的不斷縮小，傳統的“數量集成”方法面臨著功耗過大、漏電嚴重和制造成本高昂等挑戰。尤其是在有機電子器件中，盡管其具有重量輕、柔性強等優點，但由于有機材料無法像硅材料那樣適應光刻工藝，其尺寸的微縮和高密度集成受到很大限制。針對此挑戰，天津大學的研究團隊提出了一種新的設計理念——“功能集成”。這種新思路通過將感知、計算、存儲等多功能集成于同一個微型有機電子器件中，從根本上破解傳統集成電路面臨的微型化瓶頸。

“三合一”功能集成

成功的關鍵是構造了可重構不對稱異質結（RAH）。具體而言，RAH器件包含雙分子層的C6-DPA單晶層跨越源極和漏極，而單分子層的TFT-CN單晶僅位于漏極側。RAH能夠在外加偏置極性的調節下切換兩種完全不同的載流子注入機制。在正偏置時，器件采用F-N隧穿機制；而在負偏置時，則采用熱發射機制。這一結構使得器件能夠在“導通/截止”與“強整流/弱整流”之間自由切換，成功實現了晶體管、動態整流器及可切換邏輯門“三合一”的功能設計。

“三合一”功能設計的成功得益于該團隊在二維有機半導體單晶領域多年的研究積累。早期工作中，團隊開發了高效可控的界面結晶技術，成功制備了薄至單分子層的有機半導體單晶及少層有機單晶異質結（J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 5339；Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 16082；Sci. China-Mater. 2022, 66, 1511）；系統研究了二維分子晶體及其范德華異質結的光電特性（Matter, 2025, 8, 102371；Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2414453；Adv. Mater. 2024, 36, 2309337）；發展了提高半導體遷移率和穩定性的自適應摻雜策略（PNAS, 2025, 122, e2419673122）。這些研究成果為RAH器件的多功能集成提供了理論和材料基礎。

2D RAH的結構與功能

RAH的獨特優勢

1.材料創新

RAH采用了單分子層及雙分子層構成的有機單晶異質結，能夠高效調節載流子的濃度和勢壘，從而提供出色的器件性能和穩定性。通過在納米尺度上精確控制材料的結構，RAH實現了超高的電學性能和高密度集成。

2.不對稱注入物理機制

RAH器件通過超薄有機單晶異質結，利用強局域電場觸發F-N隧穿機制和熱發射機制，確保了器件在不同偏置條件下的動態可編程性。這一機制使得RAH能夠靈活調節載流子的注入方式，從而實現不同的工作模式。

3.架構簡潔

與傳統的多柵極可重構器件的實現思路不同，RAH通過簡潔的漏極對齊異質結結構，成功實現了器件功能的高效重構。這種結構不僅降低了功耗，也使得器件在生產過程中更加簡單和可控。

關鍵發現

1.超高的整流能力與寬動態窗口
在適當的柵壓下，RAH器件的整流比達到了1.1 × 10⁸，整流窗口跨越了8個數量級，顯著超越了傳統整流器（通常整流比為10⁴至10⁷）。

2.“一換極，就換性格”的光響應

在正偏置下，光電響應度高達788 A/W；而在負偏置時，光電響應幾乎完全消失。

3.一個器件，兩種邏輯

RAH器件能夠在AND與OR邏輯門之間實時切換，在同一面積內實現了邏輯功能密度翻倍，同時降低了功耗并簡化了制造過程。