该项研究由Shuyuan Yang、Jiangyan Yuan、Zhaofeng Wang等学者共同完成，通讯作者为Shengbin Lei和Rongjin Li，研究团队来自天津大学分子光电科学重点实验室及天津化学科学与工程协同创新中心。成果发表在《Advanced Materials》期刊（2024年3月发表），论文标题为《突破”玻尔兹曼暴政”：基于1T1R架构实现有机光电晶体管18 mV/decade的超低亚阈值摆幅》。
学术背景
有机光电晶体管（OPTs，Organic Phototransistors）作为集光探测与信号放大于一体的器件，在成像、光通信和夜视领域具有重要应用潜力。但其性能受限于载流子的玻尔兹曼分布（Boltzmann distribution），导致室温下亚阈值摆幅（SS，Subthreshold Swing）的理论最小值被限制在60 mV/decade。传统方法如隧穿场效应晶体管（TFETs）和负电容晶体管（NCFETs）虽能突破该限制，但分别面临电流密度低和铁电材料稳定性差的问题。本研究提出创新的”一晶体管一忆阻器”（1T1R）架构，通过忆阻器的陡峭阻态跃迁特性，显著降低SS平均值（SSave），从而提升器件光敏性能。
研究流程与方法
1. 材料制备与表征
- 共价有机框架（COFs）合成：采用三(4-氨基苯基)胺（TAPA）与二噻吩乙烯配体（DAE-O）通过界面聚合制备COF薄膜，厚度通过溶液体积调节（2.39-36.80 nm）。薄膜通过光学显微镜（OM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）验证了均匀性和结晶性，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认亚胺键（C=N）形成。
- 忆阻器构建：采用Al/COF/Au三明治结构，厚度优化为9.19 nm。电流-电压测试显示其在1.8 V时发生高阻态（HRS）到低阻态（LRS）的陡峭切换（开关比>10^6），且循环稳定性超过30次无衰减。
2. 1T1R器件设计
- 有机场效应晶体管（OFET）优化：以Hf-Al二元氧化物（HAO）为介电层（100 nm厚，溶胶-凝胶法制备），降低工作电压；采用单层二维分子晶体（2DMC）C6-DPA作为沟道材料，迁移率达3.5 cm² V⁻¹ s⁻¹。
- 1T1R集成：以忆阻器替代OFET的源电极，器件结构为Si/HAO/C6-DPA/Au（漏极）-Al/COF/Au（源极）。通过匹配忆阻器开关电压与OFET饱和电压，实现电流的突跃式变化。
3. 性能测试与分析
- 电学特性：1T1R器件在0.1 V栅压区间内实现平均SSave=18 mV/decade（传统OFET为93 mV/decade），窄区间（0.01 V）下可达2 mV/decade。通过温度依赖性实验和能带分析排除了导电细丝机制，证实其开关行为源于COF中陷阱态的填充。
- 光电响应：在405 nm激光（1.5 mW/cm²）照射下，1T1R的光灵敏度（P）达4.8×10⁶，比探测率（D*）为3.9×10⁹ cm W⁻¹ Hz¹/²，较传统OPTs提升4个数量级。
关键结果与逻辑
- 忆阻机理：通过双对数I-V曲线分析，揭示COF中空间电荷限制电流（SCLC）机制主导的阻变行为。陷阱态完全填充时引发HRS到LRS的突变，此特性被用于抵消Boltzmann分布的限制。
- 光栅效应：光照导致C6-DPA的费米能级向HOMO移动，加剧空穴注入，结合1T1R结构的分压效应，实现光电流的10⁶倍跃变。
- 厚度调控：COF厚度<2.39 nm时易隧穿，>36.80 nm时难以开启，9.19 nm为性能最优值。
结论与价值
该研究首次将忆阻器与OFET集成，通过1T1R架构突破Boltzmann极限，为超低功耗光电器件提供了新范式。其科学价值在于揭示了非易失性忆阻器在调控载流子输运中的关键作用；应用价值体现为器件在弱光探测（如夜视、深空通信）领域的潜力。
研究亮点
- 创新架构：1T1R设计首次实现有机器件中SSave=18 mV/decade的突破。
- 材料选择：高结晶性COF忆阻层兼具稳定性和陡峭开关特性。
- 性能跃升：D*达10⁹量级，远超传统OPTs（10⁴量级）。
其他价值
- 柔性验证：采用二维聚合物介电层成功构建柔性1T1R器件（见支持信息）。
- 机理普适性：该架构可拓展至其他光电材料体系，如钙钛矿或量子点。
（注：实验细节如HAO溶胶-凝胶工艺、COF的XPS能谱分析等因篇幅限制未详尽展开，可参阅原文补充材料。）