基于电解质栅极晶体管的低于1V、柔性、全聚合物互补逻辑电路

能弯曲并以手表电池供电的电子设备

想象一下可绕在皮肤上、监听心跳或检测空气中化学物质的柔性电子电路，且仅需不到1伏的电压——相当于一颗小型手表电池的功率。本文报道了朝这一愿景迈出的关键一步：一种新型的软性全塑料晶体管，它在极低电压下可靠工作，并能组成简单的逻辑电路，这是计算的基础构件。

柔性晶体管为何重要

当今大多数电子设备由刚性的硅芯片构成，适合干燥、平整的电路板并偏好较高的工作电压。对于可穿戴传感器、贴肤健康贴片和纸片般薄的设备，工程师正在转向“聚合物”电子——由柔性塑料制成、可像墨水一样从溶液印刷的器件。一类很有前景的器件称为电解质栅极晶体管，它用盐性或凝胶状材料替代硅芯片中的刚性绝缘层。这使得它们能在非常低的电压下开关，使其足够温和以与生物组织接口，并在便携电池供电系统中具有较高效率。

补全电路的缺失那半边

要构建有用的逻辑门——执行与、或、非等运算的小电路——工程师需要既有p型器件（传递正电荷），也有n型器件（传递负电荷）。聚合物电解质栅极晶体管在p型模式下长期表现良好，但稳定、高性能的n型器件却罕见且易受制约。在这项工作中，作者采用了一种稳健的n型聚合物BBL，并配以一种固态、果冻状的电解质称为离子凝胶来填补该空白。离子凝胶是一种海绵状的塑料，内含在室温下熔融的离子液体，提供可移动的离子，同时避免了水基电解质的挥发问题。

离子如何开出便捷通道

当研究者首次向其BBL晶体管施加电压时，器件表现异常：仅在相对较高的栅极电压下导通，并在开关之间显示出较大延迟，这种行为称为滞后。在这次“磨合”扫描中，离子凝胶中的离子被迫进入聚合物薄膜。在达到某一充电水平时，BBL的内部结构发生细微重组，尤其是在更无序或非晶区域。这种重组打开了通道，使离子进出更为容易。经过初始调理后，晶体管在远低得多的电压下导通，在开与关状态之间切换变得更陡峭，并且即便快速扫电压也几乎不显示滞后。

验证这一隐性重构

为确认材料内部发生了什么，团队将电学测试与光学和结构测量结合起来。光吸收实验揭示了与额外电子相关的电子态增长，且在首次循环后这类态增长更有效，符合离子更易进入的情形。原子力显微镜图像显示聚合物薄膜表面纹理在离子暴露后发生变化，而X射线散射表明紧密堆积的晶区在很大程度上保持完整。综合这些结果可以描绘出这样的图景：离子主要侵入薄膜中较软、较无序的部分，在那里开辟出混合离子—电子的“高速通道”，为电子在更有序的域中快速传导提供通路。

从单个器件到可用的塑料逻辑电路

在理解并利用这一磨合效应后，BBL晶体管展现出令人印象深刻的参数：很大的开关电流比、对输入信号的强增益以及低于1伏的工作能力，同时在空气中和较高温度下保持稳定。作者随后将n型BBL器件与已知的由P3HT制成的p型聚合物晶体管配对。通过将它们互连，展示了简单但完整的逻辑单元：反相器（NOT）以及可组合成更复杂电路的NAND和NOR门。他们更进一步，在柔性塑料片上制造这些电路，表明单个晶体管和反相器在反复弯曲和紧弯曲条件下仍能保持工作。

这对日常科技的意义

对于非专业读者，关键结论是这项研究提供了软性、低电压电子学的可靠“缺失环节”：完全由聚合物和固态电解质制成的高性能n型晶体管。通过展示如何用可控剂量的移动离子在不破坏聚合物骨架的前提下永久改善BBL内部通路，作者实现了在柔性基底上以极低电压进行快速、稳定的开关。这为可印刷、可包裹和可佩戴的简单逻辑与传感电路铺平了道路——将计算带入日常物体乃至人体的柔软形态之中。

引用: Kim, S.J., Park, D.H., Lee, Y.N. et al. Sub-1V, flexible, all-polymer complementary logic circuits based on electrolyte-gated transistors. npj Flex Electron 10, 44 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00530-y

关键词: 柔性电子, 聚合物晶体管, 电解质栅极, 低电压逻辑, 离子凝胶材料