中山大学谢庄课题组 NML: 在高弹性、高性能全聚合物有机电化学晶体管取得进展

2022-09-14 来源：高分子科技

有机电化学晶体管(OECTs)在各个领域已取得广泛应用，从柔性可穿戴的集成电路到生物医用监测、神经形态计算等。目前研究者利用柔性电子材料和微/纳米结构设计来实现可承受一定形变的柔性OECT器件，然而，具有高弹性与高性能的全固态OECTs目前还研究较少。

近期，中山大学材料科学与工程学院谢庄课题组通过采用多功能凝胶弹性电解质与3维微结构电极界面，提出一种简易策略来制备高弹性全聚合物有机电化学晶体管器件，并验证了器件的多功能应用、耐久性及可回收性能。首先通过明胶浸泡柠檬酸钠甘油溶液后，获得拉伸能力超过200%，弹性模量接近200 kPa的高弹性有机水凝胶电解质，并具有高黏附、保湿抗冻、可降解等特性。之后将高导电柔性LiTFSI掺杂PEDOT:PSS微电极转移印刷至明胶电解质表面，实现全聚合物OECT的快速制备（Fig.1）。此外，研究发现调节PEDOT:PSS/LiTFSI厚度与LiTFSI含量，可对其电化学去掺杂行为进行调控，当采用较厚（>3微米）的PEDOT:PSS/2%LiTFSI作为源漏极与栅极时，由于它们电容差异较小，在栅压作用下源漏极的电阻在很宽电压范围内（<1.5V）也能基本保持电导不变，可保证全聚合物OECTs具有高跨导，且跨导可根据沟道尺寸进行有效调节，实现高达12.7 mS的跨导，及对耗尽型与增强型不同模式活性层材料的兼容（Fig.2）。进一步，通过软刻蚀方法设计制备了PEDOT:PSS与电解质界面的三维微结构，并结合微褶皱电极与压印的微结构化沟道，在100%应变下的双轴拉伸和应变为80%的1000次重复拉伸循环下，实现了OECT性能的保持。因此，该全聚合物OECT能够可靠贴附于人体进行工作，并且可实现突触模拟和生物传感等方面应用。最后，在抗失水和可降解的明胶电解质与自交联PEDOT:PSS/LiTFSI协同作用下，器件具备在室温环境存放下大于4个月的性能稳定性，以及可方便经热水处理与过滤分离实现按需回收。此项工作将为可穿戴/可植入/可持续稳定的高性能可拉伸有机电化学柔性设备电子器件的发展提供了新的研究思路与借鉴。

Fig.1 全聚合物OECT制备示意图及功能展示。

Fig.2 微图案化全聚合物OECT与微结构化活性层的制备及器件性能。

Fig.3 基于三维微结构策略的高弹性OECT在双向拉伸（100%应变）下的性能。

Fig.4 全聚合物OECT在可穿戴、仿突触与葡萄糖传感方面的应用演示。

该成果日前以题为"High-Transconductance, Highly Elastic, Durable and Recyclable All-Polymer Electrochemical Transistors with 3D Micro-engineered Interfaces"发表在Nano-Micro Letters（IF=23.655）上，硕士研究生王文瑾与李钊贤为共同第一作者，谢庄副教授为唯一通讯作者，中山大学材料科学与工程学院的岳晚教授团队、杨亚斌副教授、电子与信息工程学院的刘川教授团队参与了研究。该研究受到国家自然科学基金（21802171, 22075325）与广州市科技局（202002030434）资助。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-022-00930-5

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（责任编辑：xu）

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