有机场效应晶体管（OFET）是柔性显示、可穿戴传感器、生物兼容电子器件的核心基础单元，同时实现低工作电压与优异机械柔性是面向实际应用的两大关键瓶颈。传统策略多采用超薄聚合物栅介质实现高电容，但超薄薄膜难以在大面积下做到无针孔均匀成膜，也难以适配卷对卷规模化制备工艺。
该工作采用刮涂工艺制备厚层交联聚乙烯醇（c‑PVA）栅介质，实现可扩展的超低电压柔性有机场效应晶体管。该刮涂制备的 c‑PVA 厚介质薄膜能够有效抑制器件漏电流，器件实现小于 1 V 的超低工作电压，场效应迁移率接近 10 cm²/V・s，亚阈值摆幅低于 100 mV/decade。器件表现出优异的力学稳定性，静态弯曲 2 小时、循环弯折 1000 次之后性能仅发生微弱衰减。该研究为高性能低压柔性有机电子器件提供一套简单、低成本、可规模化制造的工艺方案。
图 1 展示了实验所使用材料的化学结构、底栅顶接触 OFET 器件架构以及刮涂工艺原理。其中 (a‑d) 分别为 PVA 基体、交联剂 MBA、APS 以及有机半导体 DPP‑DTT 分子结构；(e) 为底栅‑顶接触器件结构；(f) 为刮涂工艺原理示意图；(g) 为优化后 c‑PVA 薄膜截面 SEM 图，薄膜厚度约 760 nm。该刮涂工艺在上海幂方电子 Prtronic 微电子打印机上完成，在环境空气条件下完成厚层介质薄膜的涂布制备，无需真空环境，工艺简便，适配溶液法器件研发。
图 2 为金属‑绝缘‑金属（MIM）电容结构下 c‑PVA 介质层电学测试结果。(a) 为比电容‑频率曲线，1 kHz 下面积比电容可达 19.3 nF/cm²；(b) 漏电流密度随电场变化曲线，1 MV/cm 电场下漏电流密度小于 5 μA/cm²，插图为 AFM 表面形貌，薄膜均方根粗糙度仅 0.54 nm，表面平整光滑；(c)(d) 为奈奎斯特图与波特阻抗谱，等效电路拟合证实厚层 c‑PVA 内部存在离子扩散，形成双电层效应，实现厚膜条件下的高电容输出，突破传统厚介质电容偏低的矛盾问题。
图 3 为 ITO / 玻璃刚性基底上 OFET 器件电学性能。器件采用 DPP‑DTT 作为有机半导体，基于刮涂 c‑PVA 栅介质。(a) 转移特性曲线，亚阈值摆幅 SS=98 mV/decade，栅极漏电流低至 pA 级，回滞几乎可以忽略；(b) 输出特性表现理想 p 型晶体管行为；(c) 饱和区迁移率提取，迁移率区间 7.6‑9.1 cm²/V・s；(d) 与已报道低压 OFET 性能对比，该工作在小于 1 V 工作电压下取得的迁移率处于国际先进水平。
图 4 为更低驱动电压下 OFET 器件的转移特性测试结果。在 0.8 V 以及 0.6 V 的极限超低驱动电压条件下，器件依旧保持清晰的 p 型晶体管开关行为。虽然开启电流与迁移率相比 1 V 条件有所下降，但器件的开关比、阈值电压、亚阈值摆幅等关键参数基本维持稳定。该结果进一步验证 c‑PVA 厚栅介质体系适配亚 1 V 乃至 0.6 V 的极低电压工作，面向低功耗电子应用具备巨大潜力。
图 5 为 ITO/PEN 柔性基底制备的 OFET 器件力学可靠性测试。(a) 柔性器件转移特性，饱和迁移率可达 1.5 cm²/V・s；(b)(c) 分别为沟道平行、垂直两个方向循环弯折 200‑1000 次后的转移曲线；(d) 迁移率归一化变化，经过 1000 次弯折循环，迁移率仍可维持初始值 70% 左右；(e) 开关电流随弯折循环变化，开关电流没有发生明显劣化，证明刮涂制备的 c‑PVA 厚介质层具备优秀的机械耐受能力，适合柔性器件应用场景。
科技创新与主要突破
传统低压 OFET 高度依赖超薄栅介质（厚度小于 100 nm），超薄薄膜在大面积制备时极易产生针孔缺陷，良率受限，难以向卷对卷制造拓展。该工作不走减薄介质厚度的路线，直接采用 760 nm 较厚交联 PVA 介质，依靠薄膜内部离子形成双电层实现高面积电容，解决厚介质与低压工作之间的矛盾。
介质电学性能突破
刮涂制备 c‑PVA 薄膜，1 kHz 下面积比电容达到 19.3 nF/cm²；在 1 MV/cm 电场强度下漏电流密度＜5 μA/cm²，击穿场强大于 1.3 MV/cm；AFM 表征得到薄膜 RMS 粗糙度仅 0.54 nm，光滑平整的表面降低界面陷阱，界面陷阱密度约 10¹² /cm² 量级。
刚性基底器件性能
基于该介质层的 OFET 实现<1 V 超低工作电压，饱和场效应迁移率最高 9.1 cm²/V・s，亚阈值摆幅低至 98 mV/decade，开关比大于 10³，器件回滞极小。即使降低工作电压至 0.6 V，晶体管仍可正常开启工作，保持较好开关特性，在同电压等级器件中性能处于前列。
柔性器件力学可靠性突破
在 PEN 柔性基底上实现低压 OFET 器件；弯折半径 5 mm 条件下，静态持续弯曲 2 h，器件性能无明显退化；经历 1000 次循环弯折，迁移率保留初始性能 70%，开关电流无显著衰减，证实刮涂 c‑PVA 介质适配柔性可形变电子系统的应用需求。
工艺层面创新
研究采用刮涂替代旋涂，旋涂材料损耗大、难以做大尺寸薄膜；刮涂工艺更适配大面积、可扩展的溶液加工路线。本论文中 c‑PVA 介质的刮涂制备依托上海幂方电子 Prtronic Scientific 3 微电子打印机完成，设备集成刮涂功能，在环境大气条件下实现聚合物介质厚膜可控涂布，为有机晶体管、印刷电子方向科研提供工艺手段。整套工艺全部为溶液加工，低温处理，兼容柔性塑料基底，面向低成本印刷电子方向有实际参考价值。
研究总结
该研究开发刮涂工艺制备厚层交联 PVA 栅介质，规避超薄介质层大面积成膜缺陷难题，在 760 nm 较厚介质条件下实现高电容，获得工作电压低于 1 V 的高性能有机场效应晶体管。器件同时兼具高迁移率、低亚阈值摆幅，柔性版本器件表现优异抗弯折性能。
该方案全部基于溶液加工，刮涂工艺具备向大面积卷对卷工艺拓展的潜力，对低功耗柔性有机晶体管、可穿戴传感系统的发展具有参考意义。该工作也证明多功能微电子印刷设备可作为有机光电器件研发重要实验平台，支持刮涂、喷墨等多种溶液加工工艺，助力印刷有机电子器件创新研究。
