以硅为代表的无机半导体材料，为了满足当下信息技术的需求，一直在不断提升集成化程度，芯片尺寸已逼近物理极限。然而，无机半导体材料固有的刚性，导致传统硅基器件很难用在一些需要弯曲、折叠和伸缩的场景中，如柔性显示器、可穿戴设备、仿生机器人系统。而在这些新兴应用领域中，有机半导体备受青睐。据东北证券的行业报告显示，2016年OLED（有机发光二极管）市场规模占整个平板显示行业的15。22%，2022年上升至35%，有了较为明显的提升。相较无机半导体材料，有机半导体材料的低成本、高性能、可持续性、可生物降解等特性，使其逐渐受到许多市场的青睐，而其独特的光学和电学以及可调谐的化学结构，使其在AI领域极具应用前景。接下来，小编将为大家介绍有机半导体材料在AI领域的相关应用。

图源：MIT

关于有机半导体

有机半导体是一种分子间通过范德华力互相吸引堆叠而成的半导体材料，具有本征的柔性、生物相容性、成本低廉等优势。相比于无机半导体材料，有机半导体材料中的载流子是外在引入的，而非材料分子本身具有的自由载流子，这是有机半导体材料区别于无机半导体材料的一个显著特点。有机半导体的导电能力介于金属和绝缘体之间，在导电过程中主要通过载流子的定向迁移来实现，这些载流子通常是由有机分子中的共轭结构或特殊官能团产生的。当有机半导体材料收到外部电场的作用时，其内部的载流子会发生定向移动，从而形成电流。

有机半导体材料在AI领域的应用

1、AI芯片

光刻胶作为一种感光材料，是制造集成电路中的关键材料，也是光刻工艺中最关键的功能性化学材料。它又称为光致抗蚀剂，在紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度会发生变化。其主要由成膜树脂、光敏剂、溶剂和其他助剂组成，按照应用范围可分为印刷电路板（PCB）光刻胶、液晶显示（LCD）光刻胶和半导体光刻胶三大类，其中半导体光刻胶与另外两种光刻胶相比，技术壁垒较高。

传统的光刻胶仅作为加工的模板，并不具备导电、传感等电子材料的功能。而半导体性光刻胶是通过材料设计将光刻胶转变成一种半导体，使其直接充当电子器件的导电沟道。它是由光引发剂、交联单体、导电高分子组成的。在紫外光照后，交联单体会反应生成不溶的网络结构，将半导体束缚在其中，形成纳米级别的互穿网络结构，显影后就可以制造出图案化的器件活性层。这种纳米互穿网络结构，相比于同类工作中将交联侧链直接接枝在半导体的光刻交联结构，具有更高的稳定性、更高的光刻精度和更高的迁移率。此外，还存在一种具有光电响应功能的半导体性光刻胶。这种功能型光刻胶不仅保留了可以通过光刻技术实现亚微米级图案化加工的能力和良好的半导体性能，还可以通过掺杂具有光电活性的粒子，实现传感功能。通过使用功能型光刻胶进行光刻加工，可以在保证性能可靠的情况下，实现高密度、大规模的有机芯片制造，克服了小型化对性能的折中的情况。除此之外，功能型光刻胶的芯片加工与微电子行业制造流程高度兼容，不仅可以用来制造有机功能集成芯片，还可以和硅基电子或新兴的二维材料电子芯片进行异质异构集成，实现更丰富、功能更强大的电子设备制造。

在不同衬底上加工的有机晶体管阵列（图源：文献1）

2、可穿戴设备

有机发光二极管（OLED）显示技术被称为第三代显示技术，其具有其他显示技术不可比拟的优良性能，受到了广泛的关注。OLED具有独特的“三明治”夹心结构，两层电极材料中间沉淀终端材料，放置于基板材料之上。当OLED接通电源，由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在发光层中结合，以光的形式释放出能量。OLED属于自发光技术，发光亮度和效率较高，可选择的材料范围非常广，可以实现蓝光到红光光谱区域的全色彩显示，其视角宽、响应速度快、驱动电压低、制作过程相对简单，发光器件会比同品类器件更加的轻薄，可实现柔性显示。在未来OLED可以用于可穿戴的VR和AR设备中，以提供更高的分辨率、更低的延迟和更好的色彩再现，再加上其柔性特质，可以有效创建沉浸式的虚拟环境；在智能家居、智能汽车或AI服务机器人中，OLED屏幕可以提供清晰、流畅的图像和视频，给予用户更加自然的人机交互体验。

OLED器件结构（图源：文献2）

3、生物医学传感器

人脑是自然界中最完美的信息处理系统，其高效性和复杂性主要基于大脑中庞大的神经元网络，突触是前后神经元之间的连接部分，是神经系统中调控信号传递的基本单元，以及大脑实现学习与记忆功能的基础。通过材料的光电特性和器件的物理机理模拟生物神经突触的信息感知和处理特性，是构建类脑神经形态系统和智能计算的关键。基于有机半导体和钙钛矿的人工突触器件具有可液相加工、生物相容性好、力学性能与生物体接近、光电性质易通过分子结构设计进行调控等特点，且具有较好的离子和载流子传输效率，与生物神经元之间离子交换和电荷极化进行电信号传递的机制非常接近。目前，存在非常多种的人工突触作用于不同的领域。如西安交通大学的马伟团队设计了一种沟道高度结晶的、全贯穿垂直结构的有机电化学晶体管（OECT），可以使器件在传感的易失性与类脑计算的非易失性模式间切换，作为人工感受器，实现了对电、光、热、化学等信号的多模态感知，拓展了信息维度；作为非易失性人工突触，实现了10比特的模拟电导态、超低编程随机性、长电导保持时间和低电导漂移。基于垂直结构电化学晶体管的均质化脉冲神经网络硬件和储蓄池计算系统，可以进行实时高能效的图像分类、条件反射、实时心脏疾病诊断等应用。

*有机电化学晶体管(OECT)是一种典型生物电子学器件，具有独特的电荷和离子传输性能，此特点使其能作为理想的工具连接电荷传输的人工电子学与依赖化学信号的世间万物。OECT的一个典型特征就是掺杂发生在整个沟道，因此低的栅极电压就可以引起较大漏电流的改变，使器件具有更优异的信号放大能力，能够作为高效的开关与放大器。另外，OECT中水相电解质的使用，使得其能够直接和生理溶液接触，具有优异的生物相容性，为生物应用打下基础。

垂直结构有机电化学晶体管示意图（图源：文献3）

小结

除了以上几种应用外，有机半导体材料还可以应用于生物可降解材料、自动化学合成AI机器人、高性能芯片散热等领域。相信随着人们的进一步研究，有机半导体材料可以在AI领域带给我们更多的惊喜。

参考文献：

1、张申,刘云圻,魏大程.半导体性光刻胶及其在有机集成芯片中的应用[J/OL].科学通报.

2、OLED行业深度报告：全行业供需结构逐步优化，中国厂商赢得优势.东北证券

3、马伟,凡群平,刘宇航,等.2023年新型光电半导体材料热点回眸[J].科技导报.

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