​刘云圻院士团队AM：拓展电化学晶体管应用的新思路

中国科学院化学研究所刘云圻院士团队，近日利用全聚合物电化学晶体管设计了触觉/味觉一体化仿生器件并用于物体识别。仿生器件通过结合对生物体的模拟和研究，对智能电子的发展做出了巨大贡献，而智能电子的物体识别能力是取代人类感官的一个重要选项，这使其能够与现实世界进行交互感知。但目前用于识别物体的技术受限于高的操作电压、复杂的外围电路，且大多依赖于电子传输, 这与生物体内神经递质以离子运输的形式不兼容。有机电化学晶体管是一类具有广阔应用前景的有机晶体管，其沟道与电解质直接接触，并通过离子掺杂和去掺杂的方式调节沟道电导。该特性使其能够作为低工作电压（< 1 V）的传感信号放大器，并且离子–电子相互作用使其可作为生物学和电子学之间的交互接口。因此，利用电化学晶体管开发低功耗、多感知和生物兼容的仿生系统是一种可行的方案。

近日，中国科学院化学研究所在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Bionic Tactile-Gustatory Receptor for Object Identification Based on All-Polymer Electrochemical Transistor” (DOI: 10.1002/adma.202300242) 的文章，论文通讯作者为郭云龙研究员和刘云圻院士，第一作者为博士生刘国才。他们首次提出了基于全聚合物电化学晶体管（AECT）的触觉/味觉离电感受器（如图1所示）。该传感器每层均由聚合物材料组成，具有很高的生物相容性和柔性。得益于固有的离电特性，其工作电压仅为0.1 V，比报道的人工感知受体器件低1到2个量级。同时，单个器件就可以准确地识别由人类触觉和味觉系统感知的多种目标物体，而无需复杂的外围电路。此外，为促进其在未来的应用，研究者还制作了沟道长度为2 μm、器件密度高达104167个/cm2，成品率为97%的柔性AECT阵列，器件密度比其它报道值高出1–5个数量级。

图1. A）生物感知受体和AECT离子传输的示意图；B）AECT结构示意图和172 nm准分子紫外光刻；C）AECT柔性阵列实物图。

作者将手指连接到AECT的栅极，源漏电流作为输出信号（图2A—D）。当触摸材料时，手指会携带不同的电荷，这相当于向AECT施加不同的栅极电压，因此AECT表现出不同的输出信号。基于输出值的大小和极性，AECT可以有效地识别被触摸的材料，如PET、硅、PTFE、铝及合金。值得注意的是，由于该装置是基于瞬态信号，因此具有简单且高效的优势。另外为了说明AECT的味觉识别功能，作者测量了不同味觉添加物质下器件的电流变化，如图2E—H所示。从图中可以发现在四种味剂作用下，器件的电流有明显的变化，其中添加氯化钠时的电流值变化最为明显。由于信号随味觉物质的变化而变化，因此可以通过分析电流变化量的范围来实现器件对味觉识别的功能，例如变化量0.03±0.01、0.1±0.02、0.04±0.01和0.42±0.05分别代表苦味、咸味、酸味和甜味。

图2. 用于物体识别的AECT。A—D) 手指摩擦电信号用于材料识别；E—H) AECT用于对味道添加剂的识别。

此外电化学晶体管的低器件密度阻碍了它的进一步应用。为了解决这个问题，作者使用图案化的PEDOT:PSS作为器件的源极，漏极，栅极和沟道层，并通过独立的PVA电解质控制沟道电流。其AECT沟道长度Lch和沟道宽度Wch分别固定在2 μm和20 μm，用这种器件结构制造的晶体管阵列密度为20081个/cm2的 （图3B）。为了说明器件在栅极电压下的电学稳定性，作者通过100次循环测试测量了其稳定性，其中gm和 Ioff的统计结果分别在图3C和D中。结果表明，Ioff波动较窄，且器件具有高的循环均匀性，其中超过70%的器件的Ioff在101―107 nA的范围内。进一步地，作者通过缩小器件的间距，AECT的器件密度可达到104167个/cm2，为目前所报道的最高值。

图3. 高密度的AECT阵列。A—D) 器件密度为20,081个/cm2的阵列示意图与实物图；E—G) 器件密度为104,167个/cm2的阵列实物图和器件性能以及器件密度对比。

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