北京大学雷霆课题组 Adv. Mater.：超稳定n型半导体纤维有机电化学晶体管与高灵敏度生物传感器

2024-03-10 来源：高分子科技

基于晶体管的传感器具有灵敏度高、响应速度快、小型化等优点，在疾病检测和健康监测等领域具有广阔的应用前景。跨导（g_m）反映了器件的放大能力及灵敏度，是评价传感器性能的重要指标。为了提高跨导，通常采取的优化策略是增大器件尺寸（例如，沟道宽度（W）等）。然而，在生物传感器尤其是体内传感中，尺寸不宜过大，减小器件尺寸对于最大限度减少组织损伤至关重要。因此，综合考虑器件尺寸与g_m，才能准确评价生物传感器的性能。他们提出面积归一化跨导（g_m,A，g_m,A = g_m/WL）可以作为更全面评估晶体管生物传感器性能的指标。

近年来，有机电化学晶体管（OECT）因其高g_m、低工作电压和良好的生物相容性受到广泛关注。然而，n型OECT的性能和稳定性远远落后于p型OECT，限制了其在互补逻辑电路和生物传感器中的应用。尽管通过分子设计可有效提高材料性能，但未能解决器件稳定性差的难题，且设计合成新的高分子往往需要复杂的合成步骤和高昂的成本。因此，亟需开发一种简单通用的方法来提高OECT器件的性能及稳定性，促进其在生物传感中的应用。

近期，北京大学雷霆团队通过湿法纺丝成功将易得且价格低廉的n型高分子聚苯并咪唑二苯并菲罗啉（BBL）制成兼具优异电学性能和出色稳定性的半导体纤维。研究发现，纺丝过程中的溶剂置换可以快速去除溶剂甲磺酸（MSA），不仅解决了高沸点溶剂MSA难以去除的问题，还促进了BBL分子链的取向和结晶，使BBL分子形成紧密的π-π堆积，为发展高性能稳定的n型OECT器件及应用提供了新思路（图1）。

图1. BBL纤维的制备、器件结构与应用

通过系统研究凝固浴和流体剪切效应对BBL纤维微观性能的影响，确定了最佳纺丝工艺。制备得到的BBL纤维具有良好的分子排列、取向和紧密的π-π堆积，展现了出色的机械强度（图2）。

图2. BBL纤维的形貌、微观结构与机械性能表征

BBL纤维构筑的OECT器件实现了比其薄膜器件更卓越的性能及稳定性，展现出高达2.40 μS μm^?2的g_m_,A（是目前报道的最高值）和优异的稳定性（超过所有报道过的n型OECT器件）（图3）。

图3. BBL纤维OECT器件的性能及稳定性

出色的g_m_,_A和操作稳定性使BBL纤维OECT在实时、高灵敏度生物传感中展现出很好的应用价值。BBL纤维OECT传感器在对乳酸、葡萄糖等生物分子的传感中展现出极高的灵敏度和良好的传感选择性（图4）。

图4. BBL纤维OECT传感器的工作原理及性能

此外，研究首次成功构建了基于半导体纤维的反相器，增益值可达38 V V^?¹，最大静态功耗仅有2.64 μW（图5）。

图5. 纤维互补逻辑电路示意图及其性能

这项工作实现了在超稳定纤维有机电化学晶体管加工策略上的突破，并展示了该器件在生物传感器及逻辑电路方面的应用。该工作以“Ultrastable N-Type Semiconducting Fiber Organic Electrochemical Transistors for Highly Sensitive Biosensors”题发表在《Advanced Materials》上，博士后王秀博士是本文第一作者，张志副研究员和雷霆研究员是本文的通讯作者。

本文感谢香港浸会大学Shu-Jen Wang教授的帮助。该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划项目，北京大学高性能计算平台，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台，上海同步辐射光源等的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400287

课题组介绍

北京大学材料科学与工程学院雷霆研究员为国家级青年人才。目前已在Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等杂志发表高质量论文80余篇，总引用超1.3万次。研究成果被国内外多家媒体报道。部分专利成果已实现规模化生产，并与国内外多家公司开展了合作和产业化研究。课题组主要从事有机高分子功能材料的设计合成、有机半导体器件、生物电子器件和柔性可穿戴设备等前沿研究，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。更多信息请参见课题组主页：www.leigroup.cn

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（责任编辑：xu）

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