针对电子学器件和光子学器件难以集成的难题，近期中国科学院化学研究所董焕丽研究员、天津大学胡文平教授及其合作团队创新性地利用场效应晶体管特有的信号调控和放大效应，提出了一种新型有机光电子集成器件—有机场效应波导器件（Organic field-effect optical waveguides），实现了同一回路中光电信号的有效转换和调控。这一研究代表了有机场效应领域的一个新方向，为有机光电子芯片集成提供了新途径。

在过去50年中，以电子作为传输载体的电子学器件极大地促进了科学技术的发展和进步。其中场效应晶体管作为一种利用电场效应来控制输出电流的半导体器件，已经成为现代电子学、微电子学、信息科学的基石之一。相比于电子，光子具有更快的传输速度，在未来信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理中具有重要潜在应用。但是光子不带电荷，没有质量，其相互之间的作用力比较弱，对其传输行为的操纵比较困难，这是光子学器件集成面临的巨大挑战。集成光电子学是光电子学领域发展的前沿方向之一，光电子集成器件是连接电子学器件和光子学器件的桥梁，是实现高密度光电子集成芯片的基本构筑单元。但是，如何实现同一器件回路中光电信号的有效转换和调控仍需解决科学和技术上的众多难题。

相比于无机半导体材料，有机半导体材料具有结构多样、光电性能可裁剪、易于加工、可自下而上组装、柔韧性好等特点，在有机光电子学领域显示了重要应用前景。经过过去几十年的研究，有机场效应晶体管领域获得了显著进展，其器件载流子迁移率已经达到甚至超过了多晶硅的水平。高性能有机场效应晶体管器件的构筑为推动实现其真正应用和制备多功能集成器件研究奠定了良好的基础。该合作团队提出的新型有机光电子集成器件—有机场效应波导器件（图1）中，正是巧妙地利用了有机场效应晶体管特有的信号调控和放大效应，以及有机半导体材料易于调控的场效应和波导特性，首次实现了有机场效应晶体管对有机波导输出信号的有效调控，证实了有机电子学器件和有机光子学器件集成的可能。进一步基于场效应晶体管与复杂集成电路良好的兼容性，将有助于促进高密度高速度有机光电子集成芯片研究。

图1 有机场效应波导器件示意图

该研究团队与中科大、首都师范大学的研究人员合作，利用课题组前期发展的氯代吲哚[3,2-b]咔唑分子（CHICZ）有机半导体分子，通过多金膜掩模方法，构筑了基于CHICZ微纳单晶的有机场效应波导器件。根据波导和电荷传输方向不同，该器件可以有两种工作模式，一种是平行模式Model I，即光波导传输方向和沟道电流传输方向平行；另一种是垂直模式Model II，即光波导传输方向与沟道电荷传输方向垂直（图2）。

图2 基于CHICZ单晶的有机场效应波导器件示意图及实物器件图。

基于该器件，研究团队系统研究了在两个工作模式下电场对CHICZ单晶中光波导传输特性的影响，证实栅极电场对于晶体中光波导传输特性的放大调制作用，在平行和垂直方向获得了分别高达70%和50%的调控幅度。同时，以入射激光作为场效应晶体管的另一个调控变量，实现了光信号传输对于晶体管电荷传输性能的调控，其调控开关比在Model I模式下可高达14800，在Model II模式下为100（图3）。这一研究结果证实了有机半导体材料中光电子微观层面的相互作用，这种各向异性的光电调控特性也进一步说明了光电耦合作用强弱对光电转换效率的影响。理论研究表明，电荷的注入影响了分子的能级结构，进而造成相邻分子之间能级结构的失配，是实现电场对于光信号传输特性调控的主要原因。电场越大，这种能级失配特性越大，其调控幅度越大。

图3 CHICZ有机场效应波导器件的光电调控性能曲线与理论模型

这一研究可进一步拓展到其他更多有机高分子共轭材料体系，为有机半导体材料中光电耦合及调控机制等基本物性研究提供了良好的平台，为全新多功能光电集成器件构筑提供了新思路。这一工作将引起有机电子学、有机光子学、器件物理、材料科学、理论科学等不同领域学者的广泛兴趣，进一步促进有机光电子学领域的发展。

相关研究工作以Organic field-effect optical waveguides为题发表在Nature Communications [9, 4790（2018）]上。该工作得到了科技部重点研发计划项目（2017YFA0204503，2016YFB0401100），国家自然科学基金委项目（51725304, 51633006, 51733004, 21875259，91433115）和中科院先导项目（XDB12030300）等基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07269-9