基于有机混合离子-电子导体材料的有机电化学晶体管

作为有机生物电子学领域的重要功能器件, 有机电化学晶体管因其高跨导、低工作电压和良好的生物相容性等优势, 在神经形态计算、生物传感、逻辑电路等领域中展现出潜在的应用前景. 近年来, 得益于有机混合离子-电子导体材料的设计和开发, 有机电化学晶体管的器件性能取得了快速提升, 并成功推动了器件的多元化应用. 本文结合有机电化学晶体管的工作原理和器件评价参数, 梳理了有机混合离子-电子导体材料在侧链工程和骨架工程等方面的设计策略和发展现状, 重点介绍了p/n型分子设计、器件性能和应用的研究进展, 最后总结了高效稳定可商业化有机混合离子-电子材料开发和应用的挑战与机遇.

伴随着生物电子学不断向智能化方向演变, 发展兼具生物信号和电子信号传导的新型有机半导体材料成为重要的交叉前沿方向. 有机电化学晶体管(OECTs)作为一类基于有机混合离子-电子导体(OMIECs)和离子介导机制的晶体管, 具有低工作电压、高跨导、生物相容性等独特优势, 可实现在神经形态系统、存储器、信号处理、光电子学和柔性电子学领域的广泛应用. 与传统的无机半导体材料不同, OMIECs作为一种新兴的软材料, 其分子间普遍存在着较弱的π-π、范德华力、氢键等相互作用, 与生命体的分子结构和力学性质近乎相似, 因此对塑造生命体传感、处理、适应与反馈等功能方面具有重大应用潜力. 此外, OMIECs可在电解质环境中工作, 实现混合离子和电子传导并伴随着可逆的电化学掺杂/去掺杂过程, 主要的工作机制为通过离子传导、离子-电子耦合、电子传导等过程将化学信号放大为电信号, 从而精确调控电化学性能以有效模拟人工神经网络中的突触权重, 进一步推动感-存-算一体的人工智能领域发展.

OECTs的器件结构为典型的三电极晶体管, 而被称为沟道材料的OMIECs介于源极和漏极之间并与电解质直接接触, 用于传输离子和电子(图1a). 其中, 源/漏电极通常由金(Au)制成, 由于金的功函数较低(≈5 eV), 因此与空穴和电子注入的能级相比可以良好匹配, 并且具有优异的环境稳定性. 器件的第三端为栅电极, 广泛使用固态Ag/AgCl电极. 根据不同的器件应用, 电解质的选择有固体或液体、有机或水性之分. 其中, 在生物电子学领域进行应用时, 水基电解质成为首选. 在OECTs工作过程中, 通过施加栅极(VG)电压驱动电解质中的离子渗透至OMIECs薄膜, 以进行离子交换和电荷补偿. 同时, 源极和漏极(VD)之间的偏置电压将使半导体内的电子/空穴自由移动, 半导体处于导电状态进一步得到放大的输出电流. 一般来说, OECTs可以分为两种工作模式, 即耗尽和积累模式. 耗尽模式OECTs在栅极电压为零时处于ON状态, 正偏压的施加可驱动电解质中的离子注入沟道材料中, 器件在ON-OFF间切换, 这导致耗尽模式工作的器件增加了功耗. 另一种积累模式器件, 当栅极电压为零时, 器件处于OFF状态, 没有可移动的电荷. 施加栅极电压后电解质中的离子渗入薄膜中, 器件呈现ON状态并伴随漏极电流的增加(图1b).OECTs器件又根据沟道材料作为电荷载体传输空穴(p型)或电子(n型)的导电性质被分为p型OECTs和n型OECTs (图1c). 因此, OECTs可被认为是生物电子学中最通用的设备之一, 能够将离子和生物信号转换和放大为电子输出.

图1 (a) OECTs器件结构示意图; (b) OECTs的耗尽和积累工作模式示意图; (c) OECTs的p型和n型积累工作模式示意图

OECTs器件的信号放大能力可以用跨导(gm)来衡量, 它是指单位输入电压所引起的输出电流的变化值. 高跨导对应着更灵敏的器件, 确保对微弱信号的放大以实现极低检测限, 是OECTs广泛用于生物信号记录的主要驱动力之一. 通常, 增加沟道材料的厚度是提升器件跨导的一种简单方法, 然而器件厚度的增加伴随着较慢的响应时间, 限制器件可工作的频率. 因此, 排除器件尺寸的影响后乘积μC*被认为是更准确的品质因子, 用来评估OMIECs作为OECTs沟道材料的性能,需要通过OMIECs材料设计手段来优化沟道材料的电子和离子传导特性, 实现载流子迁移率和体积电容之间的有效平衡, 以优化OECTs器件的性能.

基于以上OECTs器件的工作机制, 本综述以OMIECs分子设计为主线, 从侧链工程及骨架工程两部分梳理了材料的设计策略, 结合材料结构与器件性能的研究进展介绍了p/n型材料的发展现状, 最后展望了该方向未来的研究机遇和挑战.