在柔性电子领域，有机电路技术的发展正推动着柔性电子的突破。然而，有机材料固有的脆弱性以及与传统光刻工艺的不兼容性，使得依靠晶体管微型化来提升性能的道路困难重重。近日，天津大学胡文平教授、李荣金教授团队在《Advanced Materials》提出一种基于二维有机单晶异质结的单器件平台，成功集成晶体管、整流器和逻辑门功能，为解决有机电子的缩放限制提供了创新方案。

该团队研发的可重构不对称异质结（RAH），其核心在于具有漏极对齐的P-N界面。这一独特结构能通过调节漏极偏压，实现福勒 - 诺德海姆隧穿（Fowler–Nordheim tunneling）与热激活注入两种电荷输运模式的极性控制切换。实验数据显示，该器件的整流比高达 1.1×10⁸，创下新纪录，且动态整流窗口跨越 8 个数量级，远超传统体异质结器件。

图1.二维可重构不对称异质结（RAH）的栅控整流特性a）在不同正、负偏压下，二维可重构不对称异质结的转移特性曲线（I_D-V_G）。b）在不同栅压（-40V<V_G<40V）下，正、负偏压条件下的漏极电流-漏极电压（半对数曲线。c）电流整流比随栅压变化的关系曲线。d）本研究器件与以往报道器件在最大整流比和动态整流范围上的对比。e、f）二维可重构不对称异质结在正、负偏压下，导通状态（黑色实线）与关断状态（黑色虚线）的能带结构示意图。当栅压V_G<0（或V_G>0）时，通过诱导载流子积累（或耗尽），可将横向P型 C6-DPA 沟道切换至导通状态（或关断状态）

在光响应性能方面，RAH 展现出显著的偏压极性依赖性。正偏压下，其最大光响应度达到 788 A/W，比探测率高达1.17×10¹⁴ Jones；而负偏压时，由于异质界面复合作用，光响应被大幅抑制。这种不对称光响应特性，为器件实现多功能集成奠定了基础。

图2.二维可重构不对称异质结（RAH）的偏压调制光响应不对称性a）在暗态（实线）和 405 nm 激光照射下（虚线），当漏极电压VD固定- 40 V（蓝色曲线）或40 V（红色曲线）时，二维可重构不对称异质结的转移特性曲线 b）光电流随漏极电压和栅压变化的二维分布图。c）光响应度随栅压变化的关系曲线。d）在20 V 至- 40 V的不同栅压下，光电流与激光功率密度的关系曲线。e）当栅压固定为 40 V，激光功率密度在0.24 mW・cm⁻² 至11.7 mW・cm⁻² 范围内变化时，二维可重构不对称异质结的漏极电流 - 漏极电压曲线。f）当栅压固定为 40 V、漏极电压固定为 ±40 V 时，漏极电流随激光功率密度变化的关系曲线

该团队通过静电栅控与偏压调制光载流子输运的协同作用，在单个器件内实现了AND门和OR门逻辑运算的实时重构。传统逻辑门通常需要至少两个晶体管组合实现，而该单器件方案将功能密度有效提升一倍。当漏极偏压为- 40 V时，器件表现出AND逻辑行为；将偏压反向至40 V，逻辑功能则切换为OR，且在多次循环测试中性能稳定，无明显衰减。

图3.基于二维可重构不对称异质结（RAH）的可切换逻辑门 a）传统逻辑门与可切换逻辑门（与门 / 或门）的真值表及结构示意图 b）在单个二维可重构不对称异质结器件中，通过将偏压从- 40 V 反向至40 V，实现逻辑门在 “与门” 和 “或门” 之间的切换。设定电流阈值为 1×10⁻⁸ A，以此区分 “输出 - 0”（OUT-0）和 “输出 - 1”（OUT-1）两种逻辑状态

从结构设计来看，RAH的活性层由P型 C6-DPA 和N型 TFT-CN 构成二维有机单晶异质结。团队采用界面结晶技术，通过一步结晶过程制备出横向尺寸超数百微米、无界面污染的高质量异质结。原子力显微镜表征显示，C6-DPA双层单晶厚度为6.1 nm，TFT-CN单层单晶厚度仅 1.6 nm，这种超薄结构能有效减少层间屏蔽，增强栅极对载流子密度的调控能力。

电荷输运机制研究揭示，正偏压下，超薄TFT-CN层诱导强电场，促进空穴隧穿，F-N隧穿成为主导机制；负偏压时，载流子输运则以热电子发射和层间复合为主。栅压的调节可进一步优化器件性能，理想因子从 2.79 降至 1.73，显著改善载流子输运效率。

该研究不仅突破了有机电路功能缩放的长期限制，更开辟了紧凑、可重构光电子电路的新方向。二维可重构不对称异质结有望成为下一代有机集成电路的核心构建单元，在柔性电子、智能传感、便携式计算设备等领域展现出广阔的应用前景。未来，随着材料合成与器件工艺的进一步优化，这类单器件多功能集成方案或将引领有机电子技术进入新的发展阶段。

本文的研究工作受到国家重点研发计划的资助，资助编号为2024YFA1209600和2022YFB3607500.

本文的研究工作受到国家自然科学基金的资助，资助编号为52273193和52373194.

文献索引：10.1002/adma.202514640