Application | MicroFab Inkjet喷墨打印技术赋能：可湿度调控的手性晶体管阵列开启光学逻辑新纪元

美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院Vladimir V. Tsukruk教授团队在《ACS Nano》发表最新研究，提出了基于手性生物光子材料的多值逻辑（MVL）光计算系统。该研究通过整合湿度响应型手性向列纤维素纳米晶体（CNC）介电层与MicroFab JETLAB II高精度喷墨打印系统的p型（PBTTT-C14）和n型（ITIC-F）有机半导体，成功构建双功能生物有机薄膜晶体管（BOFET），实现五态逻辑输出，为下一代低功耗光学计算与人机接口提供全新解决方案。

关键词：喷墨打印、手性光子晶体、可湿度调控、光计算、神经形态芯片、边缘计算

· 技术优势：采用Microfab JETLAB II高精度喷墨打印系统，以40µm喷嘴和5µm级定位精度，在CNC复合薄膜上实现了p型（PBTTT-C14）和n型（ITIC-F）有机半导体材料的图案化沉积。这一技术不仅确保了超薄（~50 nm）、低粗糙度（Rq ≈ 2.1–2.8 nm）的均匀薄膜，还为大规模阵列化器件（8×12阵列，5×5 cm²衬底）的制备提供了可靠方案，显著提升了器件的可扩展性与一致性，为柔性电子量产提供可行方案

·  材料创新：通过蒸发诱导自组装技术（EISA）成功制备了具有湿度响应特性的手性向列纤维素纳米晶体（CNC）复合薄膜。该材料在湿度变化时，其光子带隙可动态调控，实现了对光传输波长的选择性反射，为多值逻辑器件提供了可重构的介电层基础。结合聚乙二醇（PEG）和氯化钠（NaCl）的引入，进一步提升了材料的灵敏度和低电压操作性能

· 理念创新：通过调控光子带隙（湿度控制）和光子能量（光吸收波长），成功构建双功能生物有机薄膜晶体管（BOFET）。该器件在550 nm（绿光）和730 nm（红光）光照下，输出电流呈现显著差异，并产生五种离散逻辑状态（0至4），实现了可重构三元逻辑系统，这一设计为低功耗光学信息处理和人机接口集成提供了新思路

· 数据处理潜力：结合64位微处理器，该多值逻辑系统可并行处理2×3??字节数据，远超传统二进制计算的效率，在量子化学计算、实时图像分析等领域展现出巨大应用前景。器件的快速响应（150 ms）和稳定性（偏差应力测试通过）适用于实时图像处理、边缘计算等高速场景

▲图1：多功能BOFET的MVL节点。（a）基于CNC蒸发诱导自组装的BOFET的制备流程图。（b）在5 × 5 cm 2 ITO玻璃衬底上的BOFET阵列的照片。（c）由光子带隙（H）和光子能量（E）触发的可重构光电电路三元系统的示意性演示。CNC/PEG/NaCl复合膜响应湿度，调制选择性光反射，如光学显微镜图像（中）所示（比例尺为200 μm）。可重新配置的三元组由H和E控制

▲图2：基于CNC复合物的BOFET的电气特性.（a）PBTTT-C14和（b）ITIC-F的分子结构，以及喷墨印刷膜的形貌AFM图像.（c）膜的UV-维斯光谱.（e）PBTTT-C14和（f）ITIC-F在不同湿度下的转移特性，并对应于不同的光源，如550和730 nm

本研究成功开发了一种基于手性生物光子材料的多值逻辑系统，通过湿度响应性CNC/PEG/NaCl复合介电层与喷墨打印有机半导体的协同作用，实现了高效的光电调控。Microfab JETLAB II高精度喷墨打印系统在研究中发挥了核心作用，其高精度（5µm级定位）和可控性确保了p型与n型半导体层的均匀沉积，为器件性能的稳定性和可重复性奠定了基础。实验表明，该系统在环境条件下即可实现低电压（<2 V）操作，并通过动态调控光子带隙和光吸收波长，生成五种逻辑状态。其数据处理能力高达2×3??字节（结合64位微处理器），远超传统二进制计算的效率。此外，器件的快速响应（150 ms）和稳定性（通过偏差应力测试）验证了其实际应用的潜力。这项研究不仅为光计算和物联网传感器提供了新范式，还展示了喷墨打印技术在柔性电子和生物集成器件中的广阔前景。未来，通过优化材料与工艺，这一技术有望推动低功耗、高密度信息处理系统的快速发展。