为什么要从“数量集成”转向“功能集成”

现代电子学的发展依赖“数量集成”，即通过不断缩小晶体管尺寸来提高电路集成度，进而提升算力。然而，随着尺寸的不断缩小，传统的“数量集成”方法面临着功耗过大、漏电严重和制造成本高昂等挑战。尤其是在有机电子器件中，尽管其具有重量轻、柔性强等优点，但由于有机材料无法像硅材料那样适应光刻工艺，其尺寸的微缩和高密度集成受到很大限制。针对此挑战，天津大学的研究团队提出了一种新的设计理念——“功能集成”。这种新思路通过将感知、计算、存储等多功能集成于同一个微型有机电子器件中，从根本上破解传统集成电路面临的微型化瓶颈。

“三合一”功能集成

成功的关键是构造了可重构不对称异质结（RAH）。具体而言，RAH器件包含双分子层的C6-DPA单晶层跨越源极和漏极，而单分子层的TFT-CN单晶仅位于漏极侧。RAH能够在外加偏置极性的调节下切换两种完全不同的载流子注入机制。在正偏置时，器件采用F-N隧穿机制；而在负偏置时，则采用热发射机制。这一结构使得器件能够在“导通/截止”与“强整流/弱整流”之间自由切换，成功实现了晶体管、动态整流器及可切换逻辑门“三合一”的功能设计。

“三合一”功能设计的成功得益于该团队在二维有机半导体单晶领域多年的研究积累。早期工作中，团队开发了高效可控的界面结晶技术，成功制备了薄至单分子层的有机半导体单晶及少层有机单晶异质结（J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 5339；Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 16082；Sci. China-Mater. 2022, 66, 1511）；系统研究了二维分子晶体及其范德华异质结的光电特性（Matter, 2025, 8, 102371；Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2414453；Adv. Mater. 2024, 36, 2309337）；发展了提高半导体迁移率和稳定性的自适应掺杂策略（PNAS, 2025, 122, e2419673122）。这些研究成果为RAH器件的多功能集成提供了理论和材料基础。

2D RAH的结构与功能

RAH的独特优势

1.材料创新

RAH采用了单分子层及双分子层构成的有机单晶异质结，能够高效调节载流子的浓度和势垒，从而提供出色的器件性能和稳定性。通过在纳米尺度上精确控制材料的结构，RAH实现了超高的电学性能和高密度集成。

2.不对称注入物理机制

RAH器件通过超薄有机单晶异质结，利用强局域电场触发F-N隧穿机制和热发射机制，确保了器件在不同偏置条件下的动态可编程性。这一机制使得RAH能够灵活调节载流子的注入方式，从而实现不同的工作模式。

3.架构简洁

与传统的多栅极可重构器件的实现思路不同，RAH通过简洁的漏极对齐异质结结构，成功实现了器件功能的高效重构。这种结构不仅降低了功耗，也使得器件在生产过程中更加简单和可控。

关键发现

1.超高的整流能力与宽动态窗口
在适当的栅压下，RAH器件的整流比达到了1.1 × 10⁸，整流窗口跨越了8个数量级，显著超越了传统整流器（通常整流比为10⁴至10⁷）。

2.“一换极，就换性格”的光响应

在正偏置下，光电响应度高达788 A/W；而在负偏置时，光电响应几乎完全消失。

3.一个器件，两种逻辑

RAH器件能够在AND与OR逻辑门之间实时切换，在同一面积内实现了逻辑功能密度翻倍，同时降低了功耗并简化了制造过程。