近期，多功能微电子器件在遥感、电子皮肤和可植入功能器件中的发展十分迅猛。这一发展势头对该类器件的高效供能设计提出了挑战，特别是在不易于更换电池的情况下更是重中之重。由于多功能微电子器件运作的低功耗性，使得热电转化、摩/压电转化、射频（RF）技术等新颖的能源收集技术有望成为它们可行的供能方式。通过与RF技术的结合，有机“棘轮”器件能够将无线的交流乃至噪音信号，转化为可用的直流可用功。目前，在标准高射频信号（13.56MHz）下，基于有机离子不对称分布的离子-有机（I-O）棘轮器件可以在0.02 mm2的有效工作面积下，提供170 uW的输出功率。然而，由于有机离子在器件中的极化分布处于热力学非稳态，I-O棘轮器件的功能寿命受到了自身工作特性的限制。为了克服I-O棘轮器件存在的功能不稳定性和材料复杂性的问题，加州大学圣塔芭芭拉分校高分子及有机固体研究所的研究人员采用了基于金属不同功函的内置不对称接触电极来取代I-O棘轮器件中的有机离子不对称分布，获得了显著提高的棘轮效应稳定性和材料兼容性。相关成果以“Solution-Processed Ion-Free Organic Ratchets with Asymmetric Contacts”为题发表于Advanced Materials期刊（Adv. Mater. 2018, 30, 1804794）。该研究工作中，研究人员借鉴有机场效应晶体管的基本结构，以可溶液加工的高迁移率共轭高分子PCDTBT为沟道材料，通过倾斜角度沉积法制备了不对称顶接触的器件（图1a-c）。该器件在频率为40 kHz振幅为20 V的方波交流信号可获得1.18 uA的短路电流和17.1 V的开路电压（图1d）。此外，该器件对输入交流波形不敏感，即便在噪音信号下同样能够工作（图1e）。通过开尔文探针显微术（图2a-c），可以证明该器件的棘轮效应来自于不同功函金属的接触具有不同的电荷注入壁垒，从而使得载流子在交流信号的半周期里从接触向沟道半导体材料的注入为不对称的。结合较为对称的载流子抽取，产生了电荷的净位移，从而获得基于类似“电荷泵”的整流效果（图2d-e）。进一步研究发现，此器件的输出性能与交流信号频率呈单峰函数关系（图3a-b），其限制因素与所采用的材料的载流子迁移率和器件尺寸有关。通过初步沟道长度的调控，AIC棘轮器件能在标准低射频（125 kHz）下工作，提供11.4 uW的输出功率（图3c）。相对于之前的基于“电荷泵”原理的I-O棘轮器件，该类器件最突出的进步在于其内建不对称接触使得功能稳定性得到显著提高，其重要的性能指标保持率也远高于I-O棘轮器件（图3d-f）。图1. (a) 倾斜角度沉积法制备不对称顶接触；(b) 不对称接触/半导体沟道的光学显微图像；(c)基于低功函（LWF）铝、高功函（HWF）金的AIC棘轮器件的结构和有机半导体（PCDTPT）的化学结构式；(d) AIC棘轮器件在频率40 kHz的20 V交流信号下的电流(LWF)–电压(LWF)特征；(e) 模拟噪音下棘轮器件的短路电流-时间图，插图为模拟噪音信号。图2. 棘轮器件不对称接触/沟道的扫描开尔文探针显微（SKPM）表征: （a）高度图及无偏压下的电位图；LWF接触在±5 V下的（b）电位图和（c）微分电阻图。AIC棘轮器件的不对称载流子注入工作原理：载流子的（d）注入与（e）抽取。图3. （a）短路电流与开路电压，（b）电荷置移效率（η）、最大功率（Pmax）和功率转化效率（PCE）的交流频率的关系；（c）最优化器件的最大功率与频率关系；（d-f）一周内AIC棘轮器件与I-O棘轮器件有效工作器件数量、短路电流保持率和开路电压保持率的比较。本工作得到了美国自然科学基金的支持。通讯作者为加州圣塔芭芭拉大学（UCSB）的高分子及有机固体研究所的Thuc-Quyen Nguyen教授。合作作者包括UCSB的Guillermo C. Bazan教授和东华大学的王明教授。高分子及有机固体研究所（Center for Polymers and Organic Solids或CPOS）由诺贝尔化学奖获得者Alan J. Heeger教授与Fred Wudl教授共同创立。CPOS的研究人员来自材料、化学、物理、电子等研究领域，并长期致力于高分子和有机固体在能源、光电、生物等方面的基础研究和应用探索。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804794
