近期，多功能微電子器件在遙感、電子皮膚和可植入功能器件中的發展十分迅猛。這一發展勢頭對該類器件的高效供能設計提出了挑戰，特別是在不易于更換電池的情況下更是重中之重。由于多功能微電子器件運作的低功耗性，使得熱電轉化、摩/壓電轉化、射頻（RF）技術等新穎的能源收集技術有望成為它們可行的供能方式。通過與RF技術的結合，有機“棘輪”器件能夠將無線的交流乃至噪音信號，轉化為可用的直流可用功。目前，在標準高射頻信號（13.56MHz）下，基于有機離子不對稱分布的離子-有機（I-O）棘輪器件可以在0.02 mm2的有效工作面積下，提供170 uW的輸出功率。然而，由于有機離子在器件中的極化分布處于熱力學非穩態，I-O棘輪器件的功能壽命受到了自身工作特性的限制。為了克服I-O棘輪器件存在的功能不穩定性和材料復雜性的問題，加州大學圣塔芭芭拉分校高分子及有機固體研究所的研究人員采用了基于金屬不同功函的內置不對稱接觸電極來取代I-O棘輪器件中的有機離子不對稱分布，獲得了顯著提高的棘輪效應穩定性和材料兼容性。相關成果以“Solution-Processed Ion-Free Organic Ratchets with Asymmetric Contacts”為題發表于Advanced Materials期刊（Adv. Mater. 2018, 30, 1804794）。該研究工作中，研究人員借鑒有機場效應晶體管的基本結構，以可溶液加工的高遷移率共軛高分子PCDTBT為溝道材料，通過傾斜角度沉積法制備了不對稱頂接觸的器件（圖1a-c）。該器件在頻率為40 kHz振幅為20 V的方波交流信號可獲得1.18 uA的短路電流和17.1 V的開路電壓（圖1d）。此外，該器件對輸入交流波形不敏感，即便在噪音信號下同樣能夠工作（圖1e）。通過開爾文探針顯微術（圖2a-c），可以證明該器件的棘輪效應來自于不同功函金屬的接觸具有不同的電荷注入壁壘，從而使得載流子在交流信號的半周期里從接觸向溝道半導體材料的注入為不對稱的。結合較為對稱的載流子抽取，產生了電荷的凈位移，從而獲得基于類似“電荷泵”的整流效果（圖2d-e）。進一步研究發現，此器件的輸出性能與交流信號頻率呈單峰函數關系（圖3a-b），其限制因素與所采用的材料的載流子遷移率和器件尺寸有關。通過初步溝道長度的調控，AIC棘輪器件能在標準低射頻（125 kHz）下工作，提供11.4 uW的輸出功率（圖3c）。相對于之前的基于“電荷泵”原理的I-O棘輪器件，該類器件最突出的進步在于其內建不對稱接觸使得功能穩定性得到顯著提高，其重要的性能指標保持率也遠高于I-O棘輪器件（圖3d-f）。圖1. (a) 傾斜角度沉積法制備不對稱頂接觸；(b) 不對稱接觸/半導體溝道的光學顯微圖像；(c)基于低功函（LWF）鋁、高功函（HWF）金的AIC棘輪器件的結構和有機半導體（PCDTPT）的化學結構式；(d) AIC棘輪器件在頻率40 kHz的20 V交流信號下的電流(LWF)–電壓(LWF)特征；(e) 模擬噪音下棘輪器件的短路電流-時間圖，插圖為模擬噪音信號。圖2. 棘輪器件不對稱接觸/溝道的掃描開爾文探針顯微（SKPM）表征: （a）高度圖及無偏壓下的電位圖；LWF接觸在±5 V下的（b）電位圖和（c）微分電阻圖。AIC棘輪器件的不對稱載流子注入工作原理：載流子的（d）注入與（e）抽取。圖3. （a）短路電流與開路電壓，（b）電荷置移效率（η）、最大功率（Pmax）和功率轉化效率（PCE）的交流頻率的關系；（c）最優化器件的最大功率與頻率關系；（d-f）一周內AIC棘輪器件與I-O棘輪器件有效工作器件數量、短路電流保持率和開路電壓保持率的比較。本工作得到了美國自然科學基金的支持。通訊作者為加州圣塔芭芭拉大學（UCSB）的高分子及有機固體研究所的Thuc-Quyen Nguyen教授。合作作者包括UCSB的Guillermo C. Bazan教授和東華大學的王明教授。高分子及有機固體研究所（Center for Polymers and Organic Solids或CPOS）由諾貝爾化學獎獲得者Alan J. Heeger教授與Fred Wudl教授共同創立。CPOS的研究人員來自材料、化學、物理、電子等研究領域，并長期致力于高分子和有機固體在能源、光電、生物等方面的基礎研究和應用探索。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804794
