有机电化学晶体管（OECT）因具备低驱动电压（＜1 V）、高跨导和优异生物相容性，在生物信号放大、神经形态计算及柔性传感等领域展现出巨大应用潜力。OECT的工作原理依赖于离子与电子的高效耦合，因此其核心在于开发兼具电子传输与离子传导能力的有机混合离子-电子导体（OMIEC）。近年来，以共轭高分子为基础的OMIEC材料推动了OECT技术的快速发展。尤其是p-型OMIEC的研究屡有突破，其关键器件性能指标μC*已突破500 F cm-1 V-1 s-1。相比之下，n-型OMIEC的μC*普遍低于200 F cm-1 V-1 s-1，成为制约低功耗互补电路和集成生物电子系统发展的关键瓶颈。
南方科技大学冯奎团队围绕n-型OMIEC的设计合成与OECT应用，持续取得重要研究进展。该团队基于双噻吩酰亚胺（BTI）开发的高性能n-型材料，多次实现突破性成果，相关研究在国际知名期刊发表（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24198；Adv. Mater. 2022, 34, 2201340；Adv. Mater. 2024, 36, 2305416；Adv. Mater. 2024, 36, 2310503；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202513182；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423013）。在前期成果基础上，该团队进一步系统探究了受体共轭长度对OMIEC性能的调控规律，设计并合成了基于BTIn的PBTI1g-DTCN、PBTI2g-DTCN和PBTI3g-DTCN三种高分子材料（图1），以揭示分子骨架维度对器件性能的影响机制。
2025年10月4日，该工作以“Backbone Tailoring Enables High-Performance and Stable n-Type Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors for Synaptic Simulation and Biosensor”为题发表在Advanced Materials上。文章的第一作者是南方科技大学博士研究生杨万里和博士后马苏翔，通讯作者为南方科技大学副研究员冯奎。
图1. 高分子的分子结构、掺杂吸收和二维广角X射线衍射示意图。
研究结果显示，随着BTIn受体共轭长度的增加，高分子LUMO能级逐渐降低、电子亲和力增强，有利于n-型掺杂与电子传输。有趣的是，基于中等尺寸BTI2的PBTI2g-DTCN展现出最佳的结晶性和最紧密的π–π堆积。因此，在OECT中，其实现了0.84 cm2 V-1 s-1的高电子迁移率和287.8 F cm-1 V-1 s-1的μC*值，创下n-型积累型OECT材料的新纪录。
图2.平面型OECT器件结构及其器件性能参数示意图。
基于该高性能材料，此团队进一步开发了兼具非易失性与易失性双模操作能力的垂直结构OECT（vOECT）器件（图3）。通过调控PBTI2g-DTCN与光固化高分子Cin-Cell的共混比例（8:3），器件实现了71.8 μS μm-2的面积归一化跨导和极低漏电流（<0.1%通道电流），性能显著优于对应p-型器件，展现出构建高性能、低功耗互补逻辑电路的潜力。更重要的是，器件在空气中储存2800小时后仍保持初始跨导的93.4%，表现出优异的长期稳定性。研究团队还通过微调Cin-Cell比例，实现了从非易失到易失状态的可控切换。结构表征结果表明，增加Cin-Cell含量可调节聚集相态，使PBTI2g-DTCN的结晶区域与非晶缓冲层协同作用，既确保电子传输通道，又有效缓解体积膨胀与离子迁移带来的疲劳效应。
图3. 垂直OECT器件结构、双模式操作机制及微结构调控策略，实现易失性与非易失性状态的可逆切换。
当PBTI2g-DTCN与Cin-Cell以10:1比例共混时，器件表现出非易失性突触特性，可模拟短期和长期可塑性（图4），模拟神经突触的学习与记忆过程；而在8:3比例下，器件呈易失性状态，具备高跨导和优异稳定性，适用于构建反相器电路，实现188 V V-1的电压增益，并在连续工作2000秒后保持92%的稳定输出。此外，该团队在柔性PET基底上集成了平面与垂直OECT结构，并通过PDMS封装实现可穿戴生物检测。结果显示，垂直OECT在肌电信号检测中具有更高的信号保真度。进一步，该团队成功在柔性基底上单片集成9×9反相器阵列（81个单元），其平均跨导为71.7 μS μm-2，平均增益达143.2 V V-1，展示出在大规模柔性电子与智能系统中的应用潜力。
图4. 垂直OECT的人工突触的多种突触可塑性行为和柔性生物传感器与放大器系统应用。
综上，该研究通过系统揭示BTIn受体共轭长度对OMIEC性能的调控机制，成功构筑出高性能n-型材料PBTI2g-DTCN，并实现器件在易失与非易失模式间的灵活切换，展现出“一材多用”的独特优势。该成果不仅为人工突触与生物传感器件提供了新型材料解决方案，也为集感知、计算与记忆于一体的智能电子系统发展奠定了重要基础。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202512070
通讯作者简介：
冯奎，南方科技大学副研究员。2018年博士毕业于四川大学，2019年-2020年先后在南方科技大学（与武汉大学联培）、香港科技大学从事博士后研究工作。2021年加入南方科技大学材料科学与工程系郭旭岗教授团队，主要研究方向为n-型高分子半导体材料与器件，目前以第一作者或通讯作者在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.（6篇）、Adv. Mater.（6篇）、Acc. Chem. Res.等期刊上发表SCI论文40余篇，主持国自然/省市科研项目合计7项。
