基于扭曲构型吲哚[3,2-b]咔唑衍生物的高性能有机场效应晶体管与H2S传感器研究

本文创新性地合成两种扭曲构型吲哚咔唑衍生物（ICZ-BF/ICZ-BT），通过氢键与π-π堆叠等非共价作用调控分子聚集态，成功构建高性能有机场效应晶体管（OFET）与超灵敏H2S传感器（检测限低至10 ppb，相对灵敏度达540% ppm-1），为平衡载流子迁移率与气体扩散性能提供了分子设计新策略。

　　

Highlight

为探究分子构型与非共价键作用对有机场效应晶体管（OFET）及传感器性能的影响，本研究成功合成并表征了两种具有扭曲构型的新型吲哚[3,2-b]咔唑（ICZ）衍生物：6,12-双(苯并[b]呋喃-2-基)-吲哚咔唑（ICZ-BF）和6,12-双(苯并[b]噻吩-2-基)-吲哚咔唑（ICZ-BT）。模拟计算表明，氢键的引入有助于降低分子构型畸变，并增强与目标检测物H₂S分子的结合能。单晶X射线衍射进一步揭示，分子内/间氢键及π-π堆叠等弱非共价作用可有效调控分子构型与聚集态。基于ICZ衍生物的OFET器件制备结果显示，ICZ-BF的载流子迁移率达0.0294 cm²V^?1s^?1，而ICZ-BT未观察到场效应性能。进一步将ICZ-BF-OFET用作H₂S气体传感器，在低至10 ppb浓度下仍表现出卓越的传感响应性与选择性，其漏电流变化率达5.4%，相对灵敏度（RS）高达540% ppm^-1。

Introduction

有机场效应晶体管（OFET）因其固有的信号放大能力、快速响应、低功耗及多参数传感特性，已成为智能（一次性）传感器（如光传感器、压力传感器、化学与生物传感器）的重要候选技术。尤其通过有机半导体（OSC）材料的分子剪裁与薄膜工艺优化，可显著提升对特定分析物的灵敏度与选择性。迄今，OFET基传感器的性能已实现显著突破。其传感响应源于分析物与OSC层导电沟道中载流子及电极的相互作用，具体体现为载流子迁移率、阈值电压和源漏电流等参数的变化。OFET是界面器件，其导电沟道通常集中于OSC薄膜底部介电层/半导体界面处的数个分子层内，因此传感性能主要取决于分析物与导电层中半导体分子的吸附/扩散/相互作用/解吸过程。Chan、Ponomarenko与Chi等人分别利用单层有机晶体和超薄半导体薄膜制备了超灵敏气体传感器——超薄OSC层为分析物在导电沟道内的活动提供了直接高效的路径，从而提升传感性能。Huang、Diao与Qiu等人则通过不同方法制备多孔OSC薄膜，促进分析物扩散至导电沟道并增强与载流子的相互作用。Su团队进一步通过调控异靛蓝基共轭聚合物薄膜形态，增加分析物有效扩散路径，改善了传感器灵敏度与响应时间。综上，增强分析物向OSC薄膜导电层的扩散与相互作用是提升传感器响应能力的关键途径。

通常，高性能OFET需基于连续致密的OSC薄膜，但紧密堆叠不利于分析物扩散至导电沟道，反而削弱传感性能。因此高结晶度OSC薄膜未必具备良好传感特性，甚至可能不适用于传感器。另一方面，松散聚集态结构虽不利于载流子传输，却可能促进分析物扩散。如何平衡电学性能与传感性能成为OSC材料分子设计的重要挑战。分子构型对材料聚集态与性质具有显著影响：平面分子易形成紧密有序堆叠，利于载流子传输与高性能电学表现；而非平面扭曲分子则易形成相对松散聚集态，可能促进分析物分子扩散。然而扭曲结构常导致OFET性能下降甚至消失。通过引入氢键、π-π堆叠等非共价作用，可增强扭曲分子间作用力，从而改善载流子传输并实现良好OFET性能。同时，利用扭曲结构确保松散聚集态，有助于分析物扩散至导电沟道并增强传感响应。

硫化氢（H₂S）气体检测至关重要，因其作为有毒有害气体，即使极低浓度也可引发呼吸系统疾病、恶心、呕吐及神经系统损伤。H₂S传感器一直是OFET基气体传感器的重要研究方向。本研究以吲哚咔唑（ICZ）为核心单元，分别引入苯并呋喃与苯并噻吩基团，合成两种非平面共轭化合物ICZ-BF与ICZ-BT。薄膜晶体管制备结果表明，ICZ-BF因分子聚集态中强非共价作用而表现出优异OFET性能（迁移率0.0294 cm²V^?1s^?1），类似物ICZ-BT则无场效应性能。进一步将ICZ-BF-OFET用于H₂S检测，在10 ppb浓度下漏电流变化率达5.4%，相对灵敏度高达540% ppm^-1，且具备良好选择性。

Conclusions

总而言之，本研究合成并表征了两种新型非平面共轭ICZ衍生物。基于ICZ衍生物的OFET器件中，ICZ-BF迁移率达0.0294 cm²V^?1s^?1，而ICZ-BT未观察到场效应性能。进一步地，ICZ-BF-OFET对H₂S气体展现出高传感响应——在低至10 ppb浓度下漏电流变化率达5.4%，相对灵敏度高达540% ppm^-1，且具备良好选择性。