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基于有机混合离子-电子导体材料的有机电化学晶体管

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中国科学：化学 2024年第4期54卷 552-574页

作者：孔雨欣王玄琳夏思梦李宇翔马伟西安科技大学材料科学与工程学院西安710054 西安交通大学材料科学与工程学院金属材料强度国家重点实验室西安710049

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... 详细信息

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.

关键词：有机混合离子-电子导体材料有机电化学晶体管分子设计器件性能离子-电子传导

有机电化学晶体管及其在生物电子学领域的应用进展

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中国科学：化学 2024年第4期54卷 594-618页

作者：陈子琛陈帅张秀娟揭建胜苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM) 江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室苏州215123

有机电化学晶体管(organic electrochemical transistor,OECT)具有高跨导、低工作电压和高灵敏度等特点,在逻辑电路、传感器件、健康检测和仿生电子等领域显示出广泛的应用潜力.OECT器件采用独特的液态电解液结构,赋予其优异的水介质稳... 详细信息

有机电化学晶体管(organic electrochemical transistor,OECT)具有高跨导、低工作电压和高灵敏度等特点,在逻辑电路、传感器件、健康检测和仿生电子等领域显示出广泛的应用潜力.OECT器件采用独特的液态电解液结构,赋予其优异的水介质稳定性和生物兼容性,能够将微弱的离子和生物信号放大并转换为电学信号输出,因此在生物电子学领域具有内在的应用优势.本文综述了近年来OECT器件在生物电子学领域的研究进展与发展现状,从OECT器件的结构和工作原理出发,重点介绍了OECT技术在生物生理信号监测、生物化学传感和仿生神经形态方面的应用进展,最后讨论了OECT技术在生物电子学领域中仍存在的关键挑战和未来发展方向.

关键词：有机电化学晶体管生理学信号监测生物化学传感器仿生电子离子掺杂

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有机电化学晶体管材料、器件及功能

科学通报 2024年第20期69卷 2856-2868页

作者：李正珂岳晚中山大学材料科学与工程学院

有机电化学晶体管具有实现高灵敏度的传感及突破“冯·诺依曼瓶颈”实现低功耗的神经形态计算的潜力.目前有限的活性层材料及低的器件性能严重制约着其进一步集成与应用,器件性能的进一步提升亟需关键活性层材料的原始创新.本文综述了... 详细信息

有机电化学晶体管具有实现高灵敏度的传感及突破“冯·诺依曼瓶颈”实现低功耗的神经形态计算的潜力.目前有限的活性层材料及低的器件性能严重制约着其进一步集成与应用,器件性能的进一步提升亟需关键活性层材料的原始创新.本文综述了本课题组近五年在有机电化学晶体管材料和器件方面的研究进展.我们从材料源头创新出发,致力于材料制备方法、材料结构、聚集态结构、离子电子耦合传输对材料光电性质的影响以及相关的基本规律和物理过程,打破传统设计思路,发展非金属聚合/偶联方法,使用有效的多功能分子设计与结构调控策略制备新概念共轭高分子/寡聚物/小分子混合离子电子导体的有机电化学晶体管活性层材料;开发有机电化学晶体管的关键技术,实现若干集高性能、高稳定性、柔性于一体的有机电化学晶体管,构筑面向柔性、可穿戴器件的传感及低功耗的有机突触晶体管,对柔性生物电子学的发展具有积极的促进意义.

关键词：有机混合离子电子导体有机半导体有机电化学晶体管有机突触晶体管传感

pH敏感有机电化学晶体管I-V特性及其电压依赖性

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物理学报 2022年第13期71卷 395-403页

作者：李诗嘉王振兴牛焱王彬桑胜波张文栋高杨冀健龙太原理工大学信息与计算机学院微纳传感与人工智能感知山西省重点实验室晋中030600 西南科技大学信息工程学院绵阳621010 清华大学集成电路学院北京100084

pH敏感的有机电化学晶体管有望广泛用于可穿戴电子设备进行生理指标原位监测.然而,pH敏感的有机电化学晶体管电流-电压(I-V)特性关系尚不明确,这严重制约其设计、优化与应用等方面的发展.本文联合电化学平衡方程与栅极/电解液、半导体沟... 详细信息

pH敏感的有机电化学晶体管有望广泛用于可穿戴电子设备进行生理指标原位监测.然而,pH敏感的有机电化学晶体管电流-电压(I-V)特性关系尚不明确,这严重制约其设计、优化与应用等方面的发展.本文联合电化学平衡方程与栅极/电解液、半导体沟道/电解液界面微分电容串联物理模型构建了pH敏感的有机电化学晶体管I-V特性方程.进一步,以聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐为半导体层材料,以pH敏感聚合物(聚3,4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝)修饰晶体管栅极,构建pH敏感的有机电化学晶体管.测试晶体管输出、转移及pH响应特征,验证I-V特性方程的有效性.实验结果表明,该有机电化学晶体管的pH检测灵敏度为0.22 mA·pH·unit^(–1),并且晶体管pH响应具有栅极电压依赖特性.引入栅极电压多项式进一步修正晶体管I-V特性方程.理论模型对转移曲线实验结果的拟合优度达到0.998.峰值跨导对应栅极电压位置、pH灵敏度响应栅极电压的实验及理论预测结果比较亦可表明修正理论模型的有效性.研究结果可为基于pH敏感有机电化学晶体管的柔性生物传感器设计与制造提供理论支撑.

关键词：有机电化学晶体管电流-电压特性方程

虑及栅电极极化及吸附电荷影响的有机电化学晶体管Ⅰ-Ⅴ特性研究

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分析化学 2022年第6期50卷 878-888页

作者：刘燃彭钰博黄庆杨兴贾月梅杜衍冀健龙太原理工大学机械与运载工程学院清华大学集成电路学院陆军军医大学大坪医院检验科中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室太原理工大学信息与计算机学院太原理工大学生物医学工程学院清华大学精密仪器与机械学系微机电系统实验室

有机电化学晶体管（OECT）具有良好的生物兼容性、较低的工作电压以及优异的信号放大能力等特点，被广泛应用于生物传感领域。栅电极修饰是利用OECT进行生物传感的关键，但现有OECT理论无法描述栅电极极化与电荷吸附对电流-电压（I-V）... 详细信息

有机电化学晶体管（OECT）具有良好的生物兼容性、较低的工作电压以及优异的信号放大能力等特点，被广泛应用于生物传感领域。栅电极修饰是利用OECT进行生物传感的关键，但现有OECT理论无法描述栅电极极化与电荷吸附对电流-电压（I-V）特性关系的影响。本研究通过构建栅电极/电解液、半导体沟道/电解液界面微分电容串联模型修正了Bernards-Malliaras I-V特性关系，并通过实验研究讨论了此修正模型的有效性，具体包括改变恒电位电沉积时间调控栅电极表面PEDOT:PSS薄膜厚度（0.80～3.73μm）以及栅电极/电解液界面电容（CG）(24.01～120.10μF)。结果表明，OECT跨导峰值随着CG的增加而增大；设置栅电极电压（VG）为+0.6 V时，半导体沟道电流（IDS,l）随着CG的增大而单调上升；设置VG为–0.6 V时，IDS,l随着CG的增大而单调下降。在OECT栅电极上修饰适配体探针，并使之与不同浓度的三磷酸腺苷（10-12～10-5 mol/L）发生特异性结合反应，结果表明，IDS,l随三磷酸腺苷浓度即吸附电荷量的增大而减小。定性理论分析结果与实验测试结果一致。本研究提出的修正理论模型有望为OECT及基于OECT的生物传感器的设计提供理论支持。

关键词：有机电化学晶体管生物传感器电极极化吸附电荷

共价有机框架作为通道材料的有机电化学晶体管的制备及性能

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现代纺织技术 2023年第5期31卷 117-124页

作者：王科金达莱浙江理工大学材料科学与工程学院杭州310018

有机电化学晶体管(OECT)由于具有器件制造简单、可拉伸、相对较低的工作电压和良好的开关电流比等优点,被广泛应用于生物医学、环境监测、保健产品、水处理和食品检测等领域。然而有机电化学晶体管材料往往受限于沟道材料的低化学稳定... 详细信息

有机电化学晶体管(OECT)由于具有器件制造简单、可拉伸、相对较低的工作电压和良好的开关电流比等优点,被广泛应用于生物医学、环境监测、保健产品、水处理和食品检测等领域。然而有机电化学晶体管材料往往受限于沟道材料的低化学稳定性以及低电子和离子迁移率等。共价有机框架(COF)由于具有稳定的共价键、良好的面内π-π共轭以及面外有序结构有望成为新一代的OECT沟道材料。文章通过一种表面引发方法在硅片表面原位生长COF薄膜,并用于OECT器件的组装,具有约100倍的开关比、0.4 V的低阈值电压和0.53 cm^(2)(V·s)的场效应迁移率。该研究结果为共价有机框架薄膜应用于电子器件领域拓宽了道路。

关键词：共价有机框架有机电化学晶体管离子浓度检测沟道材料纳米多孔材料

基于Sigmoid函数的pH敏感有机电化学晶体管 I-V 特性理论模型

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太原理工大学学报 2023年

作者：王振兴张帆季超王彬柴晓杰冀健龙张文栋桑胜波微纳系统研究中心太原理工大学信息与计算机学院

有机电化学晶体管栅极经聚3，4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝修饰展现出氢离子敏感性。研究者前期基于聚3，4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝氢离子敏感薄膜以及聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐为半导体层构建了pH传感器，并提出了pH敏感有机... 详细信息

有机电化学晶体管栅极经聚3，4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝修饰展现出氢离子敏感性。研究者前期基于聚3，4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝氢离子敏感薄膜以及聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐为半导体层构建了pH传感器，并提出了pH敏感有机电化学晶体管的电流-电压（I-V）特性的理论模型。然而该模型在描述有机电化学晶体管跨导曲线时不够精确。本文发现使用Sigmoid函数修正pH敏感有机电化学晶体管的I-V关系时，理论分析对转移曲线、跨导曲线的拟合优度分别可高达0.999与0.984。分析Sigmoid函数泰勒级数特征后，在多项式中分别引入栅极电压与pH高阶项，修正了pH敏感有机电化学晶体管I-V特性的理论模型。该修正理论模型对跨导曲线实验结果的拟合优度提高了9.2%。最终以峰值跨导、峰值跨导对应栅压作为传感参数对修正理论模型的有效性、准确性进行了验证。研究结果为pH敏感有机电化学晶体管提供了普适的I-V特性关系，将为柔性可穿戴pH传感器设计与制造提供理论支撑。

关键词：有机电化学晶体管 Sigmoid函数电流-电压特性方程

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基于有机电化学晶体管的pH传感器制备

基于有机电化学晶体管的pH传感器制备

作者：王振兴太原理工大学

学位级别：硕士

高灵敏度和快速响应是衡量商业传感器的标准。由于有机电化学晶体管(OECT)具有内在的信号放大、仿生能力和机械灵活性等优点,最近在构建各种传感器时越来越受欢迎。对应于峰值跨导(g~*)的栅极偏压(V(g~*))通常被设定为基于OECT的传感器... 详细信息

高灵敏度和快速响应是衡量商业传感器的标准。由于有机电化学晶体管(OECT)具有内在的信号放大、仿生能力和机械灵活性等优点,最近在构建各种传感器时越来越受欢迎。对应于峰值跨导(g~*)的栅极偏压(V(g~*))通常被设定为基于OECT的传感器的工作点,以直观地最大化信号放大能力。在此,本文通过实验发现传感器的最敏感工作点并不与V(g~*)重合,而是落在跨导曲线相交的小范围内(V)。除了获得更高的灵敏度,使用V作为工作点还可以消除在校准传感器性能时g~*和V(g~*)随分析物浓度波动的影响。本文应用(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):溴百里香酚蓝)修饰OECT的栅极构建刚性pH传感器,进行了pH传感。在pH2-pH8的线性范围内,灵敏度高达124m V·pH,几乎是能斯特极限的两倍,这比V(g~*)获得的灵敏度高27%。本文还使用V来模仿突触的调制神经元构建仿生的pH传感器。通过将仿生pH传感器的工作点设置在V,同时用脉冲漏极偏压刺激OECT,突触装置在pH=7时同时呈现出8.75 ms的快速响应时间的优点。该响应速度比恒电位模式的结果(62.73 s)快三个数量级,而且pH传感器的能耗可以减少99.89%。开发可穿戴传感器的需求日益增长,这种传感器可以在早期无创地检测慢性疾病的迹象,从而可能实现自我健康管理。其中,柔性和可拉伸的电化学pH传感器尤其重要。本文基于聚酰亚胺薄膜制备了柔性可穿戴pH传感器,pH传感性能和刚性相当,应用超灵敏和超快传感测试方法标定传感器,然后用标定好的传感器来测试复杂样品(人工汗液和胎牛血清),与商用传感器进行比较。获得了令人满意的回收范围,从104.14%到113.50%,相对标准偏差为2.52%到6.45%。在生物神经系统中,离子通量主导着神经可塑性的调节。受这种生物学策略的启发,提出了有机电化学晶体管用于突触行为模拟。栅极功能化修饰后,在电介质层上添加pH缓冲溶液可以不同程度地调节源漏通道层的载流子密度。本文详细讨论了pH依赖的突触反应,如抑制性突触后电流(IPSC)和成对脉冲抑制(PPD)。总的来说,本文的实验结果提出了一个有趣的新概念,即突触器件的神经形态生物感应应用。

关键词：低功耗有机电化学晶体管 pH传感柔性可穿戴突触

基于有机薄膜晶体管与有机电化学晶体管的生物传感器研究进展

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材料导报 2019年第7期33卷 1243-1250页

作者：冯晓倩顾文张霞蒋浩上海工程技术大学材料工程学院上海201620

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,在国民经济的各个领域如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有着重要应用。生物传感器选择性好、灵敏度高、分析速度快... 详细信息

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,在国民经济的各个领域如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有着重要应用。生物传感器选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低,可在复杂的体系中进行在线连续监测,特别是具有高度自动化、微型化与集成化的特点,其在近几十年获得了蓬勃而迅速的发展。在生物传感器领域,有机电子器件具有广阔的应用前景,特别是在低成本、一次性、便携、柔性弯曲等方面,有机电子器件显示出无可比拟的优势。在有机电子学领域,引起广泛关注和研究的包括有机薄膜晶体管(Organic thin film transistors,OTFTs)生物传感器和有机电化学晶体管(Organic electrochemical transistors,OECTs)生物传感器两种技术。其中,OTFTs生物传感器采用全固态薄膜制备,由于其制备工艺简单且可与传统半导体加工工艺相兼容,因而方便集成。此外,OTFTs生物传感器的检测单元多样化,不仅限于有机半导体层,其栅极和源漏电极都可用作生物检测。目前,在该生物传感器中已成功应用的高性能有源层材料有并五苯(Pentacene)、聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚苯胺(PANI)等。研究工作包括DNA表面固定方法改进、传感器结构设计与灵敏度优化、新型扩展栅极结构等。由于大多数检测在非溶液体系中进行,其检测的便捷性和灵敏度受到了一定限制。为了解决溶液体系下的检测问题,OECTs生物传感器被提出。该传感器不仅具有工作电压低(一般小于1 V)、电化学活性强以及可在溶液环境下工作等优点,而且其沟道与栅极的距离可按需调节。OECTs生物传感器的出现为发展高灵敏、高特异性的生物分析检验方法注入了活力。目前,OECTs生物传感器已成功应用于脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)、抗原和细菌等物质的检测。虽然微流控系统的OECT传感器阵列也已成功检测葡萄糖和乳酸,但考虑到其实际制备过程以及检测环境,OECTs传感器在集成方面的发展较为困难。本文归纳了基于OTFTs和OECTs两种类型生物传感器技术及其发展现状。根据检测物质分类,本文对两种生物传感器在葡萄糖、DNA、抗体抗原、细胞、多巴胺等生物检测应用中进行了详细描述,介绍了其传感机制和检测能力。预计随着有机电子技术的发展,有机晶体管将会在生物检测方面发挥更为重要的作用。

关键词：生物传感器有机薄膜晶体管有机电化学晶体管灵敏度