水凝胶，Science！

米测MeLab

2025-11-24

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

晶体管是现代电子器件的基础，通过不断缩小尺寸推动计算性能发展。然而，随着微型化接近物理极限（摩尔定律的制约），传统刚性、平面二维（2D）的设计面临瓶颈。与此同时，生物电子学等新兴领域需要将电子器件与柔软、不规则、三维（3D）的生物系统集成，以实现生物混合传感和神经形态计算等变革性应。

关键问题

目前，多维晶体管的研究主要存在以下问题：

1、传统电子学与生物系统的维度和柔性不匹配

传统晶体管是刚性、平面且固有的二维（2D）器件，而生物系统是柔软、不规则且三维（3D）的。这种根本性的不匹配使得传统电子元件难以有效地与生物组织（例如需要3D空间集成的神经元）进行互动。

2、水凝胶半导体在厚度调制上的限制

尽管氧化还原活性水凝胶因其类组织特性而被用于生物电子学，但现有的水凝胶半导体器件被限制在纳米到微米厚的范围内。一旦厚度超过微米尺度，离子传输和离子-电子耦合机制显著减弱，导致半导体功能丧失。

新思路

有鉴于此，香港大学电机电子工程系张世明助理教授、剑桥大学George G. Malliaras教授等人报告了3D半导体，它集成了有机电子学、软物质和电化学。这些以水凝胶形式存在的3D半导体实现了毫米级的调制厚度，同时实现了类组织柔软度和生物兼容性。调制厚度上的这一突破，是通过一个模板化双网络水凝胶系统实现的，其中二次多孔水凝胶引导初级氧化还原活性导电水凝胶进行3D组装。作者证明了这些3D半导体能够独家制造出模仿真实神经元连接的3D空间互穿晶体管。这项工作弥合了2D电子学和3D生命系统之间的差距，为先进的生物电子系统（如生物混合传感和神经形态计算）铺平了道路。

技术方案：

1、开发了3D水凝胶晶体管中3D调制的方法

3D水凝胶晶体管是混合离子-电子器件，类似OECTs，用3D水凝胶取代传统半导体通道，实现3D体调制。

2、开发了3D水凝胶半导体

作者提出了实现3D水凝胶完整3D调制的三项策略：相位工程增强电子传输，结构工程优化孔隙率促进离子传输，高效离子-电子耦合，实现了最佳性能平衡。

3、验证了3D调制的方法并展示了可扩展生产

3D水凝胶晶体管性能优异，1毫米厚开/关比达10⁴，电容线性关系保持至毫米级。开发一步水处理制造法，可大规模生产任意形状的3D水凝胶半导体。

4、构建了3D晶体管与电路

3D水凝胶半导体制成自支撑纤维，构建了脑启发式3D神经形态电路，模拟神经元单元，用于手写数字识别，准确率达91.93%，且在30%应变下仍稳定。

技术优势：

1、突破厚度限制，实现了完整3D调制

本文首次通过双网络水凝胶设计，将水凝胶半导体的厚度调制能力从微米级提升至毫米级，同时保持了组织样特性。实验验证了其体积电容与厚度呈线性关系，证明了在毫米尺度上实现了完整的3D体调制。

2、演示了3D水凝胶半导体在3D神经形态计算的应用

基于3D水凝胶半导体，作者构建了3D空间互穿晶体管阵列，模仿真实的神经回路，并成功应用于储层计算框架。该系统在手写数字识别任务中实现了高达 91.93% 的预测准确率，并且在高达 30% 的应变下仍能保持性能。

技术细节

实现3D水凝胶晶体管中3D调制的方法

组装成的3D水凝胶晶体管是一种混合离子-电子晶体管，功能类似于有机电化学晶体管（OECTs）。关键区别在于，本文用3D体水凝胶取代了传统的薄膜半导体通道（如PEDOT:PSS），以获得更广泛的类组织特性，便于生物电子集成。在工作过程中，离子在通道中穿梭，改变其导电性，即发生3D体调制——离子穿透整个通道来调节电导率。这种3D体调制通过体积电容测量得到实验验证，表明通道电容与厚度线性增加。然而，如果简单地通过增加水凝胶厚度来组装3D晶体管（如层层堆叠），离子扩散能力有限，会导致部分3D调制和较差的开/关比。因此，需要新的材料策略来开发不牺牲半导体特性的3D水凝胶。

图  在3D水凝胶晶体管中实现3D调制的策略

3D水凝胶半导体的开发：相位与结构工程

为了实现3D水凝胶半导体的完整3D调制，作者采用了三项策略：（i）相位工程，创建连续的电子传输路径；（ii）结构工程，优化水凝胶孔隙率以促进离子传输；（iii）高效的离子-电子耦合。相位工程致力于形成纯凝胶相和连续的 PEDOT+ 相以促进电子传输。通过结合辅助水凝胶网络（如PAA）作为模板，可以增强导电 PEDOT⁺相的连续性。例如，加入PAA可以将电导率从0.9 S/cm提高到100 S/cm，并改善体积电容。结构工程旨在通过控制孔隙率来增强离子传输，这对于实现毫米级厚度的3D调制至关重要。通过控制网络浓度、交联密度和溶剂交换等方法，可以实现5%到90%的广泛孔隙率控制。研究发现，孔隙率的增加会降低电子电导率但提高离子电导率。当孔隙率处于最佳范围时，实现了最高的开/关比（∼10⁴），这表明离子-电子耦合达到了最佳平衡。

图  促进电子传输的3D水凝胶半导体的相工程

3D调制的验证与可扩展生产

3D水凝胶晶体管实现了从微米到毫米级厚度的完整3D调制，性能显著优于传统薄膜器件。在1毫米厚度下，其开/关比高达10⁴，比同厚度的参考OECT高出三个数量级。与传统薄膜在厚度超过10微米时电容与厚度的线性关系失效不同，3D水凝胶半导体保持了这种线性关系，证实了其完整的3D调制能力。此外，3D水凝胶半导体的电导显著优于已报道的2D器件。在制造方面，开发了一种一步水处理的制造方案，实现了低成本、大规模生产的可行性。这种宏观制造方法能够生产出厚度从微米到毫米不等、形状任意的3D水凝胶半导体，克服了2D平面电子器件的维度限制，为生物电子集成和柔性电子领域提供了新的发展方向。

图  促进离子传输的3D水凝胶半导体的结构工程

基于3D水凝胶半导体构建3D晶体管与电路

3D水凝胶半导体成功应用于构建3D晶体管。本文将这些3D半导体塑造成自支撑的水凝胶纤维，以构建脑启发式3D神经形态电路，这些电路组装成3D互穿的水凝胶晶体管阵列，用于数据计算和分析。在神经形态计算中，水凝胶晶体管模拟神经元单元：栅极电极类似于神经元的突触前，通道则模仿突触后。为了验证其潜力，研究采用了储层计算（RC）框架，并应用于手写数字识别（MNIST数据集）。该系统通过硬件组件（水凝胶晶体管阵列）执行RC，软件组件处理线性读出和分类。这种设计模仿了真实神经网络的空间连接性。系统实现了高达 91.93% 的预测准确率，并且在施加高达 30% 应变的情况下仍能保持准确率。

图  3D水凝胶晶体管的电性能

图  用3D水凝胶半导体增加晶体管的维数

展望

总之，本文成功开发了新型3D水凝胶半导体，通过精确的相位和结构工程，将水凝胶半导体的体调制能力从微米级提升至毫米级，同时保持了优异的组织样特性。这种宏观制造方法克服了传统2D平面电子器件的维度限制。基于此，研究展示了3D空间互穿晶体管在构建抗应变神经形态电路中的巨大潜力，实现了高准确率的储层计算，有效地弥合了电子学与3D生命系统之间的多维度鸿沟。

参考文献：

DINGYAO LIU, et al. Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels. Science, 2025, 390( 6775): 824-830

DOI: 10.1126/science.adx4514

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514