基于有機半導體材料的有機場效應晶體管化學傳感器

伊康哲

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

關鍵詞：有機半導體；有機場效應晶體管；化學傳感器；柔性電子器件

中圖分類號：O62 文獻標識碼：A

有機半導體是基于有機共軛分子的一類具有半導體電學特性的有機物，根據其分子類型可以分為小分子有機半導體和聚合物半導體。科研工作者們圍繞基于有機半導體材料的電子器件展開了大量的研究，認為有機半導體將開辟電子器件的新時代——有機電子器件時代。目前為止，大量的有機半導體材料被發現，已經形成了一個巨大的半導體材料體系。據不完全統計，已發現的有機半導體材料已經超過700種。和傳統的無機半導體器件相比，有機半導體繼承了有機物的特性，因此擁有一些優點，例如：有機半導體結構的多樣性允許通過分子設計實現材料的功能化；有機半導體材料具有柔韌性，可以利用柔性基底，制備全柔性器件，進而得到柔性顯示屏、柔性集成電路、電子紙等可卷曲、可折疊產品；大部分有機半導體材料可采用低成本易操作的溶液法進行器件的制備，如噴墨打印、旋涂、滴注、印刷等，有利于大規模制備集成電路，制備成本低等。由于有機半導體的這些特點，因而科研機構廣泛地研究其用在有機發光器件、有機光檢測器、有機太陽能電池、壓力傳感器、有機存儲設備、柔性平板顯示、記憶組件、大規模集成電路、電子紙等眾多領域的潛在應用前景。

有機場效應晶體管是以有機半導體材料作為核心的晶體管器件，其器件結構如圖1所示，包含半導體層，介電層以及3個終端（源極，漏極和柵極）。由于有機半導體作為有機物本身的物理和化學特性，因此其導電能力容易隨著外部的環境而變化，這一特性使得有機場效應晶體管在化學傳感中有著良好的應用前景。

隨著科學技術的發展，以及人類對生活環境和生活水平的要求的提高，能有效探測各類有害化學物質的傳感器在國防軍事，工業生產，環境監控以及醫療衛生等方面有著越來越重要的作用。而近年來，關于食品衛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藥殘留，奶粉中的三聚氰胺、過期食品的濫用，以及有害化學添加劑在食品中的使用等一系列事件和現象，更使得能方便有效地檢測食品安全的傳感器成為當前亟待研究的重要課題。常用的化學檢測儀器通常成本高，體積大，操作復雜，無法完全滿足當前的實際需要。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，現有的檢測儀器和手段的應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探測傳感器具有非常重大的科研意義。

基于有機場效應管的傳感器有著成本低，簡單輕便，檢測方便快速等諸多優點。能極大地彌補大型化學檢測儀器的不足，適合在日常生活中廣泛應用，成為對現有化學檢測儀器和手段的有效補充。更重要的是，可以通過化學合成的方法制備合成帶有特定分子基團和分子結構的有機半導體材料，在保持材料的電學性能的同時，控制改變材料的化學特性，從而大大提高有機半導體材料對特定化學物質的探測靈敏度和選擇性。此外，基于晶體管結構的傳感器能直接以輸出電流作為傳感器的輸出信號，不需要進行信號轉換，因此結構簡單，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量轉化為電信號進行測量，使得整體的傳感器器件結構相對復雜，不利于在日常生活中大范圍地使用。而且基于晶體管結構的傳感器能提供更多的關于探測目標物質的信息，從而得到更準確更具選擇性的探測。

有機場效應管化學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體層之間的物理、化學反應來實現檢測。例如利用被檢測物質和有機半導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，從而實現對化學物質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體特異性相互作用。

早期有機場效應晶體管化學傳感器的研究主要集中氣體傳感中。近些年，有機場效應晶體管的研究被拓展到了液體傳感中。比如斯坦福大學的鮑哲南教授和她領導的團隊報道了能在水溶液環境下工作的基于有機半導體薄膜晶體管的傳感器。當前國際上現有研究中的有機場效應晶體管化學傳感器基本都基于薄膜晶體管結構，然而有機半導體薄膜結構的固有特性限制了化學傳感器靈敏度和反應速度進一步提高的空間。因為探測目標分子需要在有機半導體薄膜中擴散傳輸，并在所有可吸附點達到濃度平衡后才能使有機場效應晶體管化學傳感器的反應達到最高點。因此有機場效應晶體管中有機半導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速度。科研人員曾研究開發了超薄的有機半導體薄膜晶體管傳感器，最薄的有機半導體薄膜達到了幾個納米厚度，已經接近了這種薄膜結構的極限，無法再通過減小有機半導體薄膜厚度來進一步提高傳感器性能。

未來的有機場效應晶體管，其發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晶體管使用多個同類或不同類的有機半導體和晶體管單元，將他們整合在一個器件上，這樣不同的器件會對每種化學探測目標有不同的反應，從而形成一種反應圖譜，以此能有效提高器件的探測選擇性和準確度。多功能化指器件具備除了化學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晶體管利用有機半導體本身的柔性優點，制備整體能彎曲變形的傳感器薄膜，可以在電子皮膚等領域有潛在應用。此外，進一步提高有機場效應晶體管化學傳感器的長期穩定性也是一個重要的發展方向。而從傳感器種類方面看，有機場效應晶體管傳感器的種類將越來越多，也越來越完善。有機場效應晶體管傳感器的核心部分是有機半導體層，因此有機半導體材料的發展對有機場效應晶體管傳感器的發展起到重要推進作用。隨著有機半導體材料種類的繼續增多，基于有機半導體材料的傳感器種類和數量也將逐漸增多，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

[1]胡文平.有機場效應晶體管[M].北京：科學出版社，2011.

[2]劉雅玲，李洪祥，胡文平，等.有機單晶場效應晶體管[J].化學進展，2006（18）：189.