北京大学团队攻克低功耗生物传感难题：自掺杂小分子技术助力OECT性能突破

北京大学团队攻克低功耗生物传感难题：自掺杂小分子技术助力OECT性能突破

可穿戴设备、生物传感网络与个人健康监测系统的快速迭代，正推动低功耗与长周期稳定运行指标成为行业核心诉求。有机电化学晶体管（Organic Electrochemical Transistor, OECT）凭借亚伏特级工作电压、超高跨导（gm）以及优异的组织相容性，在微型化传感领域展现出显著优势。现有OECT器件的工作电压通常控制在0.8 V以内，但若需维持生物传感所需的信噪比（SNR），系统静态功耗仍会突破100 nW。该功耗水平在植入式或体内监测场景中极易引发局部热积累，加速有机半导体材料老化，进而压缩器件服役周期。针对大规模传感阵列或集成回路而言，热量积聚与功耗瓶颈已成为制约技术落地的关键障碍。与此同时，n型OECT沟道材料的长期电化学稳定性尚未达到商业化应用标准。突破低功耗设计壁垒，推动OECT向体内植入、长效监测方向演进，已成为当前柔性电子领域的核心攻关方向。

在酶基生物传感等细分场景中，n型OECT凭借分析物结合后电流的渐进式响应特征，展现出相较于p型器件更高的微变检测灵敏度。开启阈值电压（VTh）直接决定器件的工作偏置条件与系统能耗，较低的VTh不仅有助于削减电路功耗，更能有效规避潜在的组织热损伤风险。当前主流的高性能n型半导体多采用增强型架构，常态下处于关断状态，其VTh普遍高于0.6 V。相比之下，耗尽型OECT在零栅压条件下沟道已实现有效掺杂，天然契合连续监测与实时响应的应用需求。然而，具备优异综合性能的n型耗尽型材料储备依然匮乏。部分候选体系如PBFDO虽具备负阈值特性，但过度掺杂导致开关比不足10²，伴随大电流泄漏与极高的工作功耗，长期运行可靠性存疑。传统化学掺杂手段虽可调节VTh，但掺杂剂迁移路径难以精准把控，极易引发材料结构失稳。开发兼具耗尽型工作模式、近零阈值电压、掺杂水平可控且长期稳定性突出的n型OECT活性材料，仍是业界亟待破解的技术难题。

• 创新提出自掺杂分子设计策略，从材料本源层面实现OECT功耗的大幅压降。
• 引入特定端基功能化小分子，依托乙二醇侧链实现自发电荷转移，成功构筑近零阈值电压（VTh）且具备卓越长效稳定性的n型耗尽型OECT。
• 基于该材料体系集成生物传感平台，在维持高信噪比输出的同时，将系统静态功耗压缩至12 nW。

分子架构设计与自掺杂机理

研究团队聚焦n型OECT的低功耗架构演进，系统对比了不同材料的阈值电压与跨导效率（KTh）。核心突破在于TDPP-IC-B1G4与TDPP-IC-G7两类自掺杂分子的合成，其非自掺杂对照分子TDPP-IC-C8C10、TDPP-CN-G7及TDPP-RD-G7的引入为性能评估提供了基准参照。机理层面，极性烷氧基侧链向缺电子异吲哚（IC）端基的电子转移过程构成了自掺杂的核心驱动力。光谱表征揭示，TDPP-IC-C8C10、TDPP-IC-G7与TDPP-IC-B1G4在TCE溶剂（浓度1×10⁻⁵ mol L⁻¹）及成膜状态下的紫外-可见-近红外吸收特征存在显著差异。溶剂极性调控实验进一步验证了分子聚集态的可调性。二维掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱清晰呈现了旋涂薄膜的晶格堆积构型，证实乙二醇侧链的引入有效调控了分子间π-π相互作用与结晶取向。

电化学特性与低功耗传感验证

电化学测试表明，TDPP-IC-B1G4在0.1 M NaCl水溶液体系内展现出优异的可逆氧化还原行为。连续20次循环伏安（CV）扫描曲线高度重合，印证了电荷注入与脱出过程的高度稳定性。基于该分子的OECT器件在0.3 V源漏电压（Vps）下，栅压扫描范围设定为-0.2至0.2 V（步进10 mV），转移特性曲线与跨导（gm）峰值同步呈现，输出特性曲线则验证了良好的欧姆接触与载流子输运能力。器件在空气中历经1350次方波脉冲循环（VG：-0.2至0.2 V，脉宽4 s；VDs：0.3 V；沟道宽长比W/L：1706.25；膜厚13.5 nm）后性能无衰减。环境存放测试显示，Vps固定于0.3 V、VGs设定为0.2 V条件下，器件电流保持率在15天与30天节点均维持高位。横向对比数据显示，TDPP-IC-B1G4的载流子迁移率（µ）与阈值电压（VTh）综合指标显著优于已报道的同类n型小分子体系，迁移率-电容乘积（µC*）突破1 F cm⁻¹V⁻¹s⁻¹，稳定性曲线稳居行业前列。

传感应用端，研究团队构建了基于TDPP-IC-B1G4的心电图（ECG）采集模块。同尺寸金电极与OECT器件的显微对比直观展示了微型化优势。转移曲线测试中，Vps从0.3 V阶梯式降至0.03 V，VAS覆盖-0.15至0.2 V区间，验证了器件在极低偏置下的工作潜力。信噪比（SNR）与静态功耗（Pstatic）对比曲线表明，OECT器件在Vps持续压降过程中仍保持信号清晰度。当Vps降至0.05 V且VAS归零时，OECT采集的ECG波形与金电极基准数据高度吻合，充分验证了12 nW超低功耗下的可靠传感能力。

能级结构调控与理论计算支撑

固态薄膜的电子顺磁共振（EPR）谱图直接捕捉到自掺杂分子体系的未成对电子信号，证实了本征掺杂状态。基于此制备的顶栅/底接触（TG/BC）有机场效应晶体管（OFET）性能曲线进一步佐证了电荷传输效率。塞贝克系数测试揭示了载流子类型与输运机制。紫外光电子能谱（UPS）与X射线光电子能谱（XPS）联合分析精确标定了三类分子的价带顶、功函数及元素化学态。理论计算部分量化了TDPP-IC-G7、TDPP-IC-CN与TDPP-IC-RD在中性态与带负电荷态之间的能量差，并模拟了电子捕获后的骨架扭转势垒变化。电荷密度分布云图清晰呈现了负电荷在分子骨架上的离域路径，为乙二醇侧链诱导的自掺杂效应提供了坚实的量子化学依据。

信息来源：柔性传感及器件
审核编辑：黄宇