基于混合维度双层异质结构的双极性薄膜晶体管与反相器电路

由超薄构件催生的更聪明电子

当今的设备——从手机到智能手表——都依赖于被称为晶体管的小型开关。随着工程师推动这些开关变得更小、更高效，他们开始采用厚度仅为一两个原子层的材料。这项研究展示了一种将两种此类超薄材料组合的新方法，使单个晶体管能够同时表现出低功耗逻辑所需的两类开关特性，可能简化未来柔性与大面积电子器件的制造。

为何需要新型开关

现代数字电路依赖成对的晶体管来传递负电荷或正电荷，它们协同工作类似跷跷板，以节省能量并抑制电噪声。二硫化钼（MoS₂）是一种仅有一分子厚的片状晶体，因其良好的载流能力并能在大面积上生长，被视为下一代电子学的重要候选材料。但它天然偏好传递单一种类的电荷，这使得在不采用复杂且精细的工艺步骤下构建标准逻辑电路所需的互补对变得困难。因此，找到一种在不破坏MoS₂的情况下补充缺失行为的简便方法成为关键挑战。

在同一通道内结合两种世界

作者通过将两类截然不同的材料堆叠到单一晶体管通道中来解决该问题：一层平整的二维MoS₂薄片，偏好负电荷，以及一张由一维单壁碳纳米管（SWCNTs）随机网状构成的薄膜，在空气中偏好正电荷。首先，他们用可扩展的方法大面积生长单层MoS₂晶体，并将其转移到带有内建栅电极的绝缘层上。随后，他们使用墨水喷墨印刷——类似于高端台式打印机——定位银电极，并在之后将纳米管网络按图案沉积到希望形成双极性器件的精确位置。这个混合“二层”通道使电流可根据下方栅极的偏置，在MoS₂片或纳米管网之间流动。

一个器件，两条载流通路

在堆叠层之前，团队测量了单独的MoS₂和纳米管晶体管。如预期，MoS₂在栅极吸引负电荷时导通，而纳米管器件在栅极吸引正电荷时导通。当纳米管通过喷墨印刷覆盖在预制的MoS₂通道上并与同一源/漏电极共享时，所得晶体管表现出典型的“V形”响应：在正负栅压两端电流都很高，中间出现低谷。此行为可以理解为两条并联通路——一条在MoS₂中，另一条在纳米管中——其中在不同电压下占优的更易通路决定了总传导。重要的是，打印后MoS₂通路基本保持完整，组合器件在两种电荷类型下均能达到千以上的开关比，其性能可与相关薄膜技术相比肩。

从单个开关到可工作的逻辑电路

为证明这不仅是器件层面的趣闻，研究者们构建了一个简单但关键的逻辑元件：反相器，它将“0”翻为“1”，反之亦然。他们用一个双层双极性晶体管作为拉高元件，用一个普通的MoS₂晶体管作为拉低元件，所有互连均由印刷银导线完成。该电路在低至2伏的供电电压下能干净地反转输入信号，并在直流（DC）和交流（AC）条件下都能工作，表现出明确的开关特性和可观的增益——即输出随输入变化的陡峭度。虽然拉高器件从未完全关断，导致相比理想互补对有一定的额外功耗，但逻辑功能在多个样品间仍然稳健且可复现。

对未来器件的意义

简单来说，该研究提供了一种实用方案，可在本应被单一单面材料覆盖的芯片上按需绘制具双重行为的开关。通过仅在选定的MoS₂区域打印一层纳米管，团队无需复杂图形化或多重对准步骤，即可将普通晶体管转换为双极性器件。这种“随需打印”的策略有望简化大面积、低功耗电路在柔性或非传统基底上的制造，推动可弯曲显示、可穿戴传感器等更轻、更薄且更节能的电子设备的实现。

引用: Baek, S., Kim, S., Lee, H.Y. et al. Ambipolar thin-film transistors and inverter circuits based on mixed-dimensional bilayer heterostructures. Sci Rep 16, 9823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40382-0

关键词: 双极性晶体管, 二维半导体, 碳纳米管, 印刷电子学, 逻辑反相器