网店装修 她，读博七年，成果终登Nature Materials!

解开生物与技术界面处的化学之谜！网店装修

我们的身体通过化学反应运作，例如我们的大脑，神经元通过移动离子（带电原子或分子）而不是电子来传播信号。从心脏起搏器到监测仪等植入式器件依赖电子来传递信息。他们之间通过有机电化学晶体管（OECTs）对话，它能够说两种语言并弥合这一差距。 但科学家们早就知道OECT的一个怪癖，没有人能解释：当OECT打开时，电流在达到所需的操作水平之前会有一个滞后。关闭时，没有延迟。电流几乎立即下降。

美工包月

想要弥合生物学和技术交界面之间鸿沟的研究人员花费大量时间思考在这些领域的两种不同“语言”之间进行翻译。有机混合离子-电子导体，主要是π-共轭聚合物，可同时传导电子与离子，常用作有机电化学晶体管（OECTs）的沟道材料，应用于生物电子和神经形态计算领域。与仅依靠电场调制电流的传统有机场效应晶体管不同，OECTs通过离子的体积掺杂调节沟道的电子导电性来切换设备状态。OECT的性能指标主要由体积电容和电子迁移率的乘积μC*决定，该指标关键影响信号放大能力。尽管已采取多种策略缩短OECT的响应时间，但其开启时间通常比关闭时间长一个数量级，这种开关不对称性的原因尚不明确。

在此，华盛顿大学David S. Ginger教授课题组、浙江大学李昌治教授使用原位光学显微镜技术对晶体管沟道的局部掺杂水平进行了成像，结果表明，导通分为两个阶段：掺杂前沿的传播和均匀掺杂，而关断只发生在一个阶段。作者将更快的关断归因于工程以及物理和化学因素的综合作用，包括沟道几何形状、掺杂和掺杂动力学的差异以及载流子密度相关迁移率现象。作者的研究表明，离子传输限制了器件的运行速度。作者的研究为有机电化学晶体管的动力学提供了见解，并为设计更快的有机电化学晶体管提供了指导。相关成果以“Understanding asymmetric switching times in accumulation mode organic electrochemical transistors”为题发表在《Nature Materials》上，第一作者为中国学者（复旦校友）郭嘉洁。根据课题组信息显示郭嘉洁2026-2023年在华盛顿大学完成博士，毕业后前往劳伦斯伯克利国家实验室进行博后工作，此工作仍为其博士期间的成果。

郭嘉洁

非对称 OECT 响应时间

图1a展示了累积模式OECT的典型瞬态响应：施加栅极电压时晶体管导通，移除电压时晶体管关闭。作者首先采用Bernards模型来描述晶体管的开关行为，该模型认为I D的变化遵循单指数函数。然而，作者发现Bernards模型无法完全预测OECT的三个瞬态响应特点：晶体管初始导通有延迟，导通响应非单指数形式，以及开关时间的不对称性。这种开关时间的不对称性可能源于开关电压与阈值电压之间的电压差异，关断电压与阈值电压之间的差距较开启电压小，因此关断速度更快（图 1b）。为了探索这种现象，作者选用了三种p型聚合物，在固定电压差条件下测试了它们的OECT动力学。

图1：OECT 响应时间

OECT与光谱电化学网店装修

OECT关断速度的加快可能与聚合物结构变化引起的电化学掺杂和除掺差异有关。通过对比光谱电化学（双极管）和OECT（三端晶体管）中的掺杂与去掺动力学，作者发现当电化学掺杂时，聚合物被氧化，导致可见光谱中π-π*过渡峰漂白而极子峰吸收增加。时间分辨光谱分析揭示了极子注入和去除的速率，显示OECT的开关速度与掺杂动力学紧密相关。尤其是OECT的关断速度比光谱电化学的掺杂去除速度快10到100倍，表明OECT的动态响应特性与其材料电化学性质密切相关。

图2：OECT 与紫外可见分光电化学的比较

操作显微镜表征

为了深入了解累积模式OECT设备快速关断的原因，作者通过操作光学显微镜结合650nm长通滤光片来监测聚合物沟道的电化学掺杂水平，特别是聚合物的极化子形成（图3a）。图3b展示了在应用V D并保持恒定的情况下，开关栅极电压V G时I D和栅极电流I G的瞬态响应。作者观察到I G对Von的即时响应，小程序美工显示出典型的尖峰衰减行为，表明离子从电解质注入到沟道聚合物中。图3c展示了开启过程中的显微镜视频帧。暗像素代表更多的极化子吸收，即更高的电化学掺杂水平。作者发现OECT设备的开启分为两个阶段：(1) 掺杂前沿传播阶段和(2) 垂直掺杂阶段。在掺杂前沿传播阶段，尽管沟道聚合物已经发生了大量掺杂，I D的增长只有在掺杂前沿位置到达漏极电极后才开始（图3d,e）。在关断过程中，作者观察到I D和I G对V off的即时响应（图3h），并未观察到类似开启时的前沿传播事件。图3i,j显示了沿沟道的聚合物去掺杂过程。聚合物去掺杂相对均匀，且在源极附近去掺杂速度更快（图3k）。这部分解释了OECT快速关断的原因。此外，作者还发现，即使晶体管已处于关闭状态，沟道聚合物的去掺杂也未完全完成，由极化子带的吸光度可见（图3k）。

图3：光学显微镜与 OECT 切换相结合

载流子密度相关的迁移率

作者接下来考察了载流子密度依赖的迁移率是否能解释晶体管操作中的剩余不对称性。图4a展示了晶体管关断时ID、载流子密度和平均载流子迁移率的瞬态响应。作者通过栅极电流积分和垂直去掺杂阶段沟道内的平均极化子吸收来计算载流子密度，两种方法得到的结果相符。图4b显示了作者计算的载流子迁移率与载流子密度的关系，发现迁移率确实依赖于载流子密度，尤其是在高密度区域。该关系也很好地拟合了作者提取的载流子迁移率与密度数据。

图4| OECT 迁移率和载流子密度

设计更快的 OECT

作者通过操作显微技术对OECT开关行为的影响因素进行了研究，发现短通道长度、薄聚合物层和高栅极电位（而非漏极电位）有助于加快设备切换速度。从材料角度看，提高离子浓度、选择更具混沌效应的反离子或设计具有更高离子传导能力或更刚性主链的聚合物能够加快离子注入速度并最小化聚合物结构松弛。此外，作者还注意到，当栅极电压与阈值电压之差大于漏极电压时，或当设备在线性区域工作时，开启和关闭响应时间的差异变小。最后，作者展示了一个SPICE电路模型，该模型集成了一个时变通道电阻器来反映不对称动力学。总之，从几何角度和材料角度优化，可以实现更快的OECT设备切换。

图5 ：OECT 响应时间对操作变量的依赖性

小结：作者研究了累积模式 OECT 的不对称瞬态行为。 这种行为虽然在文献中普遍存在，但很少被讨论，并且与许多常见的 OECT 模型不一致。 通过操作光学显微镜结合 OECT 表征，作者发现 OECT 开启发生在两个时间和空间上不同的阶段： 掺杂前沿传播和垂直掺杂。 相比之下，关断发生在一步中，最快的去掺杂发生在源附近，但整个通道的动力学变化很小。 作者确定了导致器件更快关断的几个因素，包括沟道几何形状、掺杂和去掺杂动力学的差异以及载流子密度依赖性迁移率的物理现象。 然后，作者演示了一个经验模型，该模型捕获累积模式 OECT 的切换行为，并为响应时间常数提供物理解释。 作者进一步表明，离子传输似乎是器件动力学的限制因素，并且作者从材料和器件的角度为设计更快的累积模式 OECT 提供了指导。 作者预计这些结果将有助于为特定应用选择反离子化学和晶体管几何结构，并有助于改进未来基于物理的漂移扩散模型。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

特别声明：以上内容（如有图片或视频亦包括在内）来源于网络，不代表本网站立场。本网站仅提供信息存储服务。如因作品内容、版权和其他问题需要同我们联系的，请联系我们及时处理。联系方式：451255985@qq.com，进行删除。