有机智能传感材料与器件研究进展

有机光电子材料具有柔性、低成本、可大面积加工以及分子结构可调等特点, 在可穿戴智能器件领域具有巨大的应用潜力. 有机分子可以通过结构的设计调节其光学、电学、机械和化学等特性, 从而实现丰富的传感功能. 有机智能传感器具有快速响应、高选择性、高灵敏和机械柔性等优势, 被广泛应用于环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域. 本文综述了近年来有机智能传感材料与器件的研究进展, 包括小分子半导体、聚合物半导体和导电聚合物等有机传感材料, 以及化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器等有机智能传感器件的前沿应用, 重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等智能感知器件和系统的发展现状, 并对其未来发展过程中面临的挑战进行了分析.

随着物联网和人工智能(AI)的兴起, 利用各种智能感知技术进行信号的感应和信息的采集变得越来越重要, 同时也对新型传感器提出了更高的性能要求, 如高灵敏、可穿戴、智能化、可视化和多模态操作等. 基于有机半导体或有机导电材料的有机传感器由于其机械柔性、低成本、快速响应、高选择性和轻质便携等优点, 在环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域具有广阔的发展前景.

有机电子材料可通过分子结构设计调节其功能特性, 包括光学、电学、机械和化学性质, 从而实现丰富的传感功能. 常用的有机智能传感材料可以按照材料结构分为有机小分子和聚合物, 它们可以根据待测的物理、生物和化学信号选择相对应的传感机制, 进行官能团修饰或掺杂. 高性能的有机智能传感器的器件结构主要包括有机二极管、有机场效应晶体管(OFET)和有机电化学晶体管(OECT)等. 这些有机材料制备而成的器件拥有丰富的传感位点和信号识别方式, 例如, 在OFET智能传感器中, 有机半导体层、栅极、绝缘层都能作为传感的核心功能层, 而层与层之间的界面也可以提供功能化的传感位点. 此外, OFET器件还可以提供阈值电压、源漏电流、亚阈值斜率等多项可检测参数, 有利于实现对目标参数的多通道和高选择性传感, 从而有效地避免了传感信号相互干扰的问题.

有机智能传感器可以高灵敏地检测温度、光照、压力、应变等物理参数, 不同相态的化学物质以及血压、心跳、脑电等多种生物信号, 因此具有广泛的应用前景. 此外, 使用有机智能感知系统可以实时监测人体生理信号, 借助智能仿生传感系统有望进一步实现人机交互功能. 目前, 智能感知电子设备最主要的两个研究方向是有机传感材料的开发和智能传感器的制备. 据此, 本文综述了近年来应用广泛的功能性有机传感材料, 列举了有机化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器的前沿应用, 并重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等生物智能感知器件和系统的发展现状(图1).

图1 有机传感器三大部分(有机传感材料、有机传感器件、智能感知系统)和五大功能应用(化学传感器、温度传感器、光学传感器、机械传感器、生物传感器)