基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器

伊康哲

摘 要：化學(xué)傳感器是基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要的應(yīng)用方向。本文介紹了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的工作原理和優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了近年來(lái)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的發(fā)展過(guò)程、優(yōu)化方法，以及此類(lèi)器件在氣體傳感、液體傳感等領(lǐng)域的不同應(yīng)用方向。并對(duì)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器在將來(lái)的陣列化、多功能、柔性化等方向的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

關(guān)鍵詞：有機(jī)半導(dǎo)體；有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管；化學(xué)傳感器；柔性電子器件

中圖分類(lèi)號(hào)：O62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

有機(jī)半導(dǎo)體是基于有機(jī)共軛分子的一類(lèi)具有半導(dǎo)體電學(xué)特性的有機(jī)物，根據(jù)其分子類(lèi)型可以分為小分子有機(jī)半導(dǎo)體和聚合物半導(dǎo)體。科研工作者們圍繞基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子器件展開(kāi)了大量的研究，認(rèn)為有機(jī)半導(dǎo)體將開(kāi)辟電子器件的新時(shí)代——有機(jī)電子器件時(shí)代。目前為止，大量的有機(jī)半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)形成了一個(gè)巨大的半導(dǎo)體材料體系。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已發(fā)現(xiàn)的有機(jī)半導(dǎo)體材料已經(jīng)超過(guò)700種。和傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件相比，有機(jī)半導(dǎo)體繼承了有機(jī)物的特性，因此擁有一些優(yōu)點(diǎn)，例如：有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的多樣性允許通過(guò)分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)材料的功能化；有機(jī)半導(dǎo)體材料具有柔韌性，可以利用柔性基底，制備全柔性器件，進(jìn)而得到柔性顯示屏、柔性集成電路、電子紙等可卷曲、可折疊產(chǎn)品；大部分有機(jī)半導(dǎo)體材料可采用低成本易操作的溶液法進(jìn)行器件的制備，如噴墨打印、旋涂、滴注、印刷等，有利于大規(guī)模制備集成電路，制備成本低等。由于有機(jī)半導(dǎo)體的這些特點(diǎn)，因而科研機(jī)構(gòu)廣泛地研究其用在有機(jī)發(fā)光器件、有機(jī)光檢測(cè)器、有機(jī)太陽(yáng)能電池、壓力傳感器、有機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、柔性平板顯示、記憶組件、大規(guī)模集成電路、電子紙等眾多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是以有機(jī)半導(dǎo)體材料作為核心的晶體管器件，其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含半導(dǎo)體層，介電層以及3個(gè)終端（源極，漏極和柵極）。由于有機(jī)半導(dǎo)體作為有機(jī)物本身的物理和化學(xué)特性，因此其導(dǎo)電能力容易隨著外部的環(huán)境而變化，這一特性使得有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在化學(xué)傳感中有著良好的應(yīng)用前景。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人類(lèi)對(duì)生活環(huán)境和生活水平的要求的提高，能有效探測(cè)各類(lèi)有害化學(xué)物質(zhì)的傳感器在國(guó)防軍事，工業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境監(jiān)控以及醫(yī)療衛(wèi)生等方面有著越來(lái)越重要的作用。而近年來(lái)，關(guān)于食品衛(wèi)生安全方面的問(wèn)題和隱患正越來(lái)越受到人們的重視，比如蔬菜水果上的農(nóng)藥殘留，奶粉中的三聚氰胺、過(guò)期食品的濫用，以及有害化學(xué)添加劑在食品中的使用等一系列事件和現(xiàn)象，更使得能方便有效地檢測(cè)食品安全的傳感器成為當(dāng)前亟待研究的重要課題。常用的化學(xué)檢測(cè)儀器通常成本高，體積大，操作復(fù)雜，無(wú)法完全滿(mǎn)足當(dāng)前的實(shí)際需要。尤其是在人們的日常生活中需要低成本易操作的檢測(cè)方法，現(xiàn)有的檢測(cè)儀器和手段的應(yīng)用受到很多方面的限制。因此，研究一種低成本，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便的有害物質(zhì)探測(cè)傳感器具有非常重大的科研意義。

基于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的傳感器有著成本低，簡(jiǎn)單輕便，檢測(cè)方便快速等諸多優(yōu)點(diǎn)。能極大地彌補(bǔ)大型化學(xué)檢測(cè)儀器的不足，適合在日常生活中廣泛應(yīng)用，成為對(duì)現(xiàn)有化學(xué)檢測(cè)儀器和手段的有效補(bǔ)充。更重要的是，可以通過(guò)化學(xué)合成的方法制備合成帶有特定分子基團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體材料，在保持材料的電學(xué)性能的同時(shí)，控制改變材料的化學(xué)特性，從而大大提高有機(jī)半導(dǎo)體材料對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)的探測(cè)靈敏度和選擇性。此外，基于晶體管結(jié)構(gòu)的傳感器能直接以輸出電流作為傳感器的輸出信號(hào)，不需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常有利于傳感器的小型化。相對(duì)而言，許多其他類(lèi)型的傳感器需要專(zhuān)門(mén)的附加器件把某種物理量或者化學(xué)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，使得整體的傳感器器件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不利于在日常生活中大范圍地使用。而且基于晶體管結(jié)構(gòu)的傳感器能提供更多的關(guān)于探測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的信息，從而得到更準(zhǔn)確更具選擇性的探測(cè)。

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管化學(xué)傳感器的傳感探測(cè)工作原理就是利用被檢測(cè)物分子與有機(jī)半導(dǎo)體層之間的物理、化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。例如利用被檢測(cè)物質(zhì)和有機(jī)半導(dǎo)體層的電荷相互作用、電荷摻雜等相互作用，引起有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電荷的移動(dòng)速度、濃度的改變，從而改變器件的輸出電流特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)物質(zhì)的辨識(shí)性和定量化檢測(cè)，因此提高傳感靈敏度和選擇性的基本策略是加強(qiáng)待檢測(cè)物與半導(dǎo)體特異性相互作用。

早期有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的研究主要集中氣體傳感中。近些年，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究被拓展到了液體傳感中。比如斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授和她領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了能在水溶液環(huán)境下工作的基于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管的傳感器。當(dāng)前國(guó)際上現(xiàn)有研究中的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器基本都基于薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，然而有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)的固有特性限制了化學(xué)傳感器靈敏度和反應(yīng)速度進(jìn)一步提高的空間。因?yàn)樘綔y(cè)目標(biāo)分子需要在有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中擴(kuò)散傳輸，并在所有可吸附點(diǎn)達(dá)到濃度平衡后才能使有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的反應(yīng)達(dá)到最高點(diǎn)。因此有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的厚度在近幾年的研究中不斷被減小，以減小探測(cè)目標(biāo)分子在擴(kuò)散穿透薄膜所需的時(shí)間，從而提高傳感器的靈敏度和反應(yīng)速度。科研人員曾研究開(kāi)發(fā)了超薄的有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管傳感器，最薄的有機(jī)半導(dǎo)體薄膜達(dá)到了幾個(gè)納米厚度，已經(jīng)接近了這種薄膜結(jié)構(gòu)的極限，無(wú)法再通過(guò)減小有機(jī)半導(dǎo)體薄膜厚度來(lái)進(jìn)一步提高傳感器性能。

未來(lái)的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其發(fā)展方向主要有陣列化、多功能、柔性化等方向。陣列化的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)的有機(jī)半導(dǎo)體和晶體管單元，將他們整合在一個(gè)器件上，這樣不同的器件會(huì)對(duì)每種化學(xué)探測(cè)目標(biāo)有不同的反應(yīng)，從而形成一種反應(yīng)圖譜，以此能有效提高器件的探測(cè)選擇性和準(zhǔn)確度。多功能化指器件具備除了化學(xué)傳感以外不同的探測(cè)能力，例如對(duì)溫度和壓力的探測(cè)。柔性化的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用有機(jī)半導(dǎo)體本身的柔性?xún)?yōu)點(diǎn)，制備整體能彎曲變形的傳感器薄膜，可以在電子皮膚等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。此外，進(jìn)一步提高有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。而從傳感器種類(lèi)方面看，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的種類(lèi)將越來(lái)越多，也越來(lái)越完善。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的核心部分是有機(jī)半導(dǎo)體層，因此有機(jī)半導(dǎo)體材料的發(fā)展對(duì)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料種類(lèi)的繼續(xù)增多，基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的傳感器種類(lèi)和數(shù)量也將逐漸增多，這種便捷的低成本傳感器將用于更多的場(chǎng)合，獲得更好的性能。

參考文獻(xiàn)

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