廣東
導讀
2025年9月26日，天津大學胡文平教授/李榮金教授團隊在
Adv. Mater.報道了一種可重構不對稱異質結器件（RAH），成功地將“感知—計算—存儲”三大功能整合到同一個微小的電子器件中，為柔性和輕量化電子設備提供了更緊湊的電路和更高的功能密度。
正文
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。
2DRAH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。
總結
基于大面積二維有機半導體單晶的可重構電子器件，不僅在傳統有機電子器件的基礎上進行了優化，還為未來的有機集成電路的實用化提供了新的設計理念和發展方向。通訊作者為天津大學李榮金教授，第一作者為天津大學研究生武顯碩、田馨孜。
作者簡介
李榮金，天津大學教授，博士生導師。2009年畢業于中科院化學所，師從胡文平教授、朱道本院士。先后在上海有機所、德國馬普高分子所從事博士后研究。2015年回天津大學工作，任研究員/教授（2021年起被評為英才教授）。研究領域為大面積二維有機半導體單晶及器件集成。近五年，以通訊或共同通訊作者身份在
PNAS
Adv. Mater.
JACS
Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發表論文 30 余 篇，所有發表論文近五年累計被引用 4500 余次（ google scholar ，截至 2025 年 9 月）。擔任
SmartMat期刊學術編輯。
文獻詳情：
Beyond Transistor Miniaturization: A Single-Device Approach to Reconfigurable Logic Gates in 2D Organic Single-Crystalline Heterojunctions
Xianshuo Wu, Xinzi Tian, Jiarong Yao, Zhaofeng Wang, Shuyuan Yang, Yanling Xiao, Siyuan Zhang, Yan Wang, Xiaochen Ren, Jiansheng Jie, Fangxu Yang, Rongjin Li, Wenping Hu
Adv. Mater.2025, e14640
http://doi.org/10.1002/adma.202514640
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