现代电子设备的核心组件——晶体管，长期以来一直以刚性、平面和二维（2D）的形式存在。然而，随着摩尔定律逐渐逼近物理与技术极限，传统晶体管在尺寸缩小与集成度提升方面面临严峻挑战。与此同时，生物电子学等新兴领域致力于将电子设备与生物系统融合配资入门网，以实现生物混合传感与神经形态计算等创新应用。然而，传统晶体管与生物系统之间存在着根本性不匹配：前者是刚性、平面的，而后者是柔软、不规则且三维（3D）的。这种差异限制了电子器件与生物组织（如神经元）之间的有效交互，因此迫切需要开发具备三维结构与组织相容性的新型电子材料与器件架构。
鉴于此，香港大学电机与电子工程系张世明教授与剑桥大学George G. Malliaras教授提出了一种基于的三维半导体，成功将有机电子学、软物质与电化学相结合。这些以水凝胶形式存在的三维半导体不仅实现了毫米级的调制厚度，还具备了类似生物组织的柔软性与生物相容性。该突破得益于一种模板化双网络水凝胶系统，其中第二层多孔水凝胶引导第一层氧化还原活性导电水凝胶的三维组装。他们进一步展示了这类三维半导体可用于构建模拟真实神经元连接的三维空间互穿晶体管。该研究弥合了二维电子器件与三维生命系统之间的鸿沟，为生物混合传感与神经形态计算等先进生物电子系统的发展奠定了基础。相关研究成果以题为“Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels”发表在最新一期《science》上，并选为当期封面。
【实现三维调制的策略：从二维到三维的跨越】
组装后的三维水凝胶晶体管属于混合离子-电子晶体管，其工作原理类似于有机电化学晶体管（OECTs）。关键在于将传统的薄膜半导体通道材料（如PEDOT:PSS）替换为三维块状水凝胶，从而获得更接近生物组织的性能。在器件工作时，离子穿过通道改变其电导率。例如，施加正栅极电压时，电解质中的阳离子渗入氧化还原活性水凝胶半导体，引发反应：PEDOT⁺:PSS⁻ + M⁺ + e⁻ → PEDOT⁰ + PSSM。该反应的典型特征是三维体调制——离子穿透整个通道调节其电导率（图1A）。通过体积电容测量实验验证了三维调制行为，显示通道电容与通道厚度呈线性增长关系（图1D）。
然而，当单纯通过增加水凝胶厚度（如逐层堆叠）来构建三维晶体管时，电容与厚度的线性关系在较大厚度下失效，导致部分调制与较差的开关比（图1B）。其根本原因在于离子在较厚通道中的扩散能力受限（图1B）。因此，必须引入新材料策略以在不牺牲半导体性能的前提下开发三维水凝胶半导体。
图 1. 实现三维水凝胶晶体管三维调制的策略
【三维水凝胶半导体的开发：相工程与结构工程并重】
为实现完整的三维调制，研究团队采取了以下策略：（一）通过相工程在半导体骨架上构建连续的电子传输路径（图2）；（二）通过结构工程优化水凝胶孔隙率，促进离子在三维体相中的传输（图3）；（三）通过上述过程的协同作用实现高效的离子-电子耦合。
在相工程方面，水凝胶半导体中可能存在水相、凝胶相及水-凝胶混合相。为确保性能最优，必须形成纯凝胶相（图2A–C）。通过调控第二层水凝胶网络（如PEGDA、PVA、PAAm、PAA），可显著增强导电PEDOT⁺相的连续性，使电导率从0.9 S/cm提升至最高100 S/cm（图2E）。相连续性的提升也伴随着体积电容的增加（图2F），表明形成了三维电子导电网络，且未损害水凝胶的力学性能（图2G）。
图 2. 三维水凝胶半导体的相工程促进电子传递
在结构工程方面，为实现毫米级厚度的三维调制，必须控制孔隙率以增强离子传输。通过调控组分浓度、交联密度及溶剂交换等手段，可将水凝胶孔隙率控制在5%至90%之间（图3A–C）。研究发现，孔隙率增加会降低电子电导率（图3D），但显著提高离子电导率（图3E）。在某一最优孔隙率范围内，三维水凝胶晶体管实现了高达10⁴的开关比（图3F），与最先进的OECT性能相当。
图 3. 三维水凝胶半导体的结构工程促进离子传输
【三维调制的实验验证与电学性能】
为评估三维调制效果，研究团队制备了水凝胶晶体管（图4A）。典型的转移与输出曲线显示，基于三维水凝胶半导体的器件性能显著优于相同厚度的参考薄膜（图4B、C）。例如，在1 mm厚度下，水凝胶晶体管的开关比达到10⁴，比参考OECT高出三个数量级。此外，体积电容测量进一步证实了三维水凝胶半导体在高达1000 μm厚度下仍保持线性电容-厚度关系（图4D），而二维半导体在约10 μm厚度时即失效（图4E）。器件的跨导（Gm）也随厚度显著提升（图4F），显示出优异的体调制能力。
图 4. 三维水凝胶晶体管的电气性能
【基于三维水凝胶半导体的晶体管与电路构建】
成功开发的三维水凝胶半导体及其可扩展制备工艺，使其能够直接用于构建三维晶体管。研究团队将三维半导体制成自支撑水凝胶纤维，构建出类脑三维神经形态电路，并组装成三维互穿水凝胶晶体管阵列用于数据计算与分析（图5B、C）。该电路采用储层计算（RC）框架，利用水凝胶晶体管的非线性动态响应行为，实现对MNIST手写数字数据集的高效识别，准确率高达91.93%（图5F）。即使在30%应变下，系统仍能保持较高的预测精度（图5G），显示出其优异的机械稳定性与适应性。
图 5.通过三维水凝胶半导体提升晶体管的维度
【总结与展望】
本研究所报道的三维水凝胶半导体与晶体管，实现了毫米级三维调制，性能媲美传统薄膜器件。通过标准化的水相合成工艺，精确控制了三维空间中的相组成、孔隙率与电荷传输性能。宏观制备方法使得三维水凝胶半导体与晶体管能够以任意形状大规模生产，突破了二维平面电子器件的维度限制。这些器件具备组织相容性、可拉伸性与渗透性等组织类似特性，有望在生物-电子交互（如细胞培养、类器官形成与可编程细胞行为）中实现稳定、持久的三维接口，为未来生物混合感知与神经形态计算系统的发展开辟了新路径。
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