基于有機半導(dǎo)體材料的有機場效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器

伊康哲

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

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

中圖分類號：O62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

有機半導(dǎo)體是基于有機共軛分子的一類具有半導(dǎo)體電學(xué)特性的有機物，根據(jù)其分子類型可以分為小分子有機半導(dǎo)體和聚合物半導(dǎo)體。科研工作者們圍繞基于有機半導(dǎo)體材料的電子器件展開了大量的研究，認(rèn)為有機半導(dǎo)體將開辟電子器件的新時代——有機電子器件時代。目前為止，大量的有機半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)形成了一個巨大的半導(dǎo)體材料體系。據(jù)不完全統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)的有機半導(dǎo)體材料已經(jīng)超過700種。和傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體器件相比，有機半導(dǎo)體繼承了有機物的特性，因此擁有一些優(yōu)點，例如：有機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的多樣性允許通過分子設(shè)計實現(xiàn)材料的功能化；有機半導(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。由于有機半導(dǎo)體的這些特點，因而科研機構(gòu)廣泛地研究其用在有機發(fā)光器件、有機光檢測器、有機太陽能電池、壓力傳感器、有機存儲設(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。

有機場效應(yīng)晶體管是以有機半導(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個終端（源極，漏極和柵極）。由于有機半導(dǎo)體作為有機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，這一特性使得有機場效應(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，以及人類對生活環(huán)境和生活水平的要求的提高，能有效探測各類有害化學(xué)物質(zhì)的傳感器在國防軍事，工業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境監(jiān)控以及醫(yī)療衛(wèi)生等方面有著越來越重要的作用。而近年來，關(guān)于食品衛(wèi)生安全方面的問題和隱患正越來越受到人們的重視，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)檢測儀器通常成本高，體積大，操作復(fù)雜，無法完全滿足當(dāng)前的實際需要。尤其是在人們的日常生活中需要低成本易操作的檢測方法，現(xiàn)有的檢測儀器和手段的應(yīng)用受到很多方面的限制。因此，研究一種低成本，操作簡單，攜帶方便的有害物質(zhì)探測傳感器具有非常重大的科研意義。

基于有機場效應(yīng)管的傳感器有著成本低，簡單輕便，檢測方便快速等諸多優(yōu)點。能極大地彌補大型化學(xué)檢測儀器的不足，適合在日常生活中廣泛應(yīng)用，成為對現(xiàn)有化學(xué)檢測儀器和手段的有效補充。更重要的是，可以通過化學(xué)合成的方法制備合成帶有特定分子基團和分子結(jié)構(gòu)的有機半導(dǎo)體材料，在保持材料的電學(xué)性能的同時，控制改變材料的化學(xué)特性，從而大大提高有機半導(dǎo)體材料對特定化學(xué)物質(zhì)的探測靈敏度和選擇性。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，不需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，因此結(jié)構(gòu)簡單，非常有利于傳感器的小型化。相對而言，許多其他類型的傳感器需要專門的附加器件把某種物理量或者化學(xué)量轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測量，使得整體的傳感器器件結(jié)構(gòu)相對復(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。

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

早期有機場效應(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，有機場效應(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)的團隊報道了能在水溶液環(huán)境下工作的基于有機半導(dǎo)體薄膜晶體管的傳感器。當(dāng)前國際上現(xiàn)有研究中的有機場效應(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。因為探測目標(biāo)分子需要在有機半導(dǎo)體薄膜中擴散傳輸，并在所有可吸附點達(dá)到濃度平衡后才能使有機場效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的反應(yīng)達(dá)到最高點。因此有機場效應(yīng)晶體管中有機半導(dǎo)體薄膜的厚度在近幾年的研究中不斷被減小，以減小探測目標(biāo)分子在擴散穿透薄膜所需的時間，從而提高傳感器的靈敏度和反應(yīng)速度?？蒲腥藛T曾研究開發(fā)了超薄的有機半導(dǎo)體薄膜晶體管傳感器，最薄的有機半導(dǎo)體薄膜達(dá)到了幾個納米厚度，已經(jīng)接近了這種薄膜結(jié)構(gòu)的極限，無法再通過減小有機半導(dǎo)體薄膜厚度來進(jìn)一步提高傳感器性能。

未來的有機場效應(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。陣列化的有機場效應(yīng)晶體管使用多個同類或不同類的有機半導(dǎo)體和晶體管單元，將他們整合在一個器件上，這樣不同的器件會對每種化學(xué)探測目標(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能力，例如對溫度和壓力的探測。柔性化的有機場效應(yīng)晶體管利用有機半導(dǎo)體本身的柔性優(yōu)點，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)一步提高有機場效應(yīng)晶體管化學(xué)傳感器的長期穩(wěn)定性也是一個重要的發(fā)展方向。而從傳感器種類方面看，有機場效應(yīng)晶體管傳感器的種類將越來越多，也越來越完善。有機場效應(yīng)晶體管傳感器的核心部分是有機半導(dǎo)體層，因此有機半導(dǎo)體材料的發(fā)展對有機場效應(yīng)晶體管傳感器的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。隨著有機半導(dǎo)體材料種類的繼續(xù)增多，基于有機半導(dǎo)體材料的傳感器種類和數(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合，獲得更好的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]胡文平.有機場效應(yīng)晶體管[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]劉雅玲，李洪祥，胡文平，等.有機單晶場效應(yīng)晶體管[J].化學(xué)進(jìn)展，2006（18）：189.