有機電化學晶體管(OECT)通過電場調(diào)控離子注入有機半導體薄膜，實現(xiàn)體相的離子-電子耦合傳輸，具有低工作電壓、高跨導和良好生物相容性等特點，廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、可穿戴電子以及腦機接口等生物電子學領(lǐng)域。然而，由于離子遷移速度與載流子傳輸速度之間的不匹配，盡管OECT具有較高的放大能力(G m)，但其響應(yīng)時間(τ)較慢，限制了器件在快速響應(yīng)如生理電信號傳感中的應(yīng)用。因此，如何優(yōu)化離子-電子耦合過程，打破放大能力與響應(yīng)時間的制約關(guān)系，仍是當前該領(lǐng)域研究的核心挑戰(zhàn)。
 

　　在國家自然科學基金委、中國科學院和北京市的支持下，國科大化學科學學院張鳳嬌課題組提出了側(cè)邊離子注入輔助的離子電子混合傳輸調(diào)控策略，構(gòu)建了放大能力與響應(yīng)速度協(xié)同提升的高性能有機電化學晶體管。該工作通過半導體薄膜的條狀微結(jié)構(gòu)化，主動創(chuàng)建側(cè)邊離子注入通道，實現(xiàn)垂直和水平方向協(xié)調(diào)調(diào)控的離子-電子耦合傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)邊離子傳輸通道的創(chuàng)建可以有效降低離子注入過程中的勢壘，為實現(xiàn)均勻摻雜和快速的氧化還原過程提供了更高效的離子動力學途徑。通過精準調(diào)控側(cè)邊離子注入的面積比例( RoL )可以調(diào)控電荷傳輸性能，器件放大能力與響應(yīng)速度的性能優(yōu)值( G m/ τ )提高600%，最大值為16.2 mS s?1。此外，研究進一步研究驗證了該方法在不同電解質(zhì)、半導體及薄膜厚度中的普適性，為探索高性能有機電化學晶體管提供了有效方式。基于此方法構(gòu)建的期間被成功應(yīng)用于心電信號的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了信號的響應(yīng)和信噪比顯著提升，為心電圖模式識別在病理診斷中的應(yīng)用提供了有效方案。
 

　　圖1 (a)OECT器件結(jié)構(gòu)示意圖：I, 傳統(tǒng)離子傳輸：離子通過垂直方向注入半導體薄膜；II, 側(cè)邊輔助的離子傳輸：離子通過垂直和側(cè)邊傳輸通道注入半導體薄膜；(b)不同寬度條狀半導體薄膜的AFM高度圖，從左至右分別為：100μm,50μm,30 μm,10μm,2μm。
 

　　上述研究提出了側(cè)邊離子注入輔助的有機電化學晶體管構(gòu)建新思路，為高性能生物電子器件的制備及其在生理電信號監(jiān)測中的應(yīng)用提供了有效方法。相關(guān)工作發(fā)表于 Nature Communication (2024,15,10118.)，文章的第一作者為博士研究生顏超義。