用于高性能和神经形态n型有机场效应晶体管的生物相容性牛血清白蛋白介电层

《Organic Electronics》：Biocompatible bovine serum albumin dielectric layers for high-performance and neuromorphic n-type organic field-effect transistors

本研究系统探究了牛血清白蛋白（BSA）作为生物兼容性界面修饰层对n型PTCDI-C13有机场效应晶体管（OFET）性能的影响。通过调节BSA浓度（4.5-100 mg/ml），发现9.0 mg/ml时最优，使介电层厚度59.18 nm，表面粗糙度1.87 nm，载流子迁移率达0.7 cm2/V·s，并降低界面陷阱密度至0.314×1012 cm?2 eV?1。光谱和XRD分析表明BSA促进π-π堆积和晶体有序排列，同时器件表现出突触特性，在4.5和9.0 mg/ml浓度下可实现兴奋性突触后电流（EPSC）响应。分隔符：

　　本研究系统地探讨了牛血清白蛋白（BSA）作为生物相容性界面修饰层在基于N, N′-二十二烷基并四苯-3,4,9,10-四甲酸二酰亚胺（PTCDI-C13）的n型有机场效应晶体管（OFET）中的作用。通过调节BSA的浓度范围从4.5到100毫克/毫升，研究揭示了BSA对介电层厚度、表面能和界面陷阱密度的显著影响。在BSA浓度为9.0毫克/毫升时，实验结果显示其在表面平整度与栅极介电层耦合之间取得了最佳平衡，从而提升了分子有序性、降低了亚阈值摆幅（S.S.）至0.09 V/dec，并提高了载流子迁移率至0.7 cm2/V·s。此外，通过光致发光（PL）、拉曼光谱（Raman）和X射线衍射（XRD）分析，进一步验证了BSA在促进π-π堆叠和晶格对齐方面的作用，有助于实现高效的电荷传输。更进一步，研究还展示了在使用4.5和9.0毫克/毫升BSA修饰层的器件中实现了突触功能，表现为明显的兴奋性突触后电流（EPSC）响应。这些结果表明，BSA作为一种多功能的介电材料，在高性能和神经形态有机电子器件的开发中具有广阔的前景。

有机场效应晶体管（OFETs）因其机械柔性、轻量化和与溶液工艺的兼容性，在柔性电子设备和生物电子器件的开发中受到广泛关注。然而，OFETs的性能高度依赖于栅极介电层与有机半导体之间的界面质量。界面特性，如表面极性、粗糙度和能级对齐，会显著影响半导体薄膜的结晶性和电荷传输效率。在n型OFETs中，通常表现出比p型OFETs更低的性能和稳定性，主要原因是其对界面陷阱态和表面性质更为敏感。此外，半导体薄膜的形貌和晶界也可能对器件稳定性产生影响，因为水分和氧气容易在晶界处积聚，从而导致电荷散射增加和界面缺陷的形成。

为了克服这些挑战，研究人员已经开发了多种界面工程策略，其中一种常见方法是通过在介电层表面引入疏水自组装单分子层（SAMs）或聚合物中间层，以降低陷阱密度并提高薄膜均匀性。然而，这些处理方法通常需要有机溶剂或高温工艺，这在柔性基底或生物基材料的制备过程中并不适用。因此，开发一种可在水性溶液中处理且无需高温的生物相容性界面修饰材料，成为提升n型OFETs性能和稳定性的关键方向。

近年来，生物分子材料在有机电子器件中的应用逐渐受到重视。BSA作为一种天然来源的蛋白质聚合物，因其良好的水溶性、固有的生物相容性以及调控表面特性的能力，成为一种有前景的候选材料。BSA可以直接从水溶液中处理，无需额外的化学合成，并且已被证明在栅极介电层中具有良好的电荷存储能力和界面修饰潜力。尽管BSA在p型OFETs和有机传感应用中已被广泛研究，但其在n型OFETs中的应用仍较为有限。特别是，BSA浓度对界面特性及其对应器件性能的影响尚未得到系统研究。

本研究选择了PTCDI-C13作为有机半导体材料，因为它是一种已知的高迁移率n型有机半导体，具有良好的环境稳定性、强π-π堆叠能力和相对较低的陷阱敏感性，使其成为研究BSA修饰界面效应的理想平台。PTCDI-C13的长烷基链（C13）有助于在疏水介电层表面形成有利的分子排列，从而更好地分离半导体形貌与介电处理的影响。通过系统地调节BSA的浓度，研究探讨了其对介电层厚度、表面形貌和半导体材料与介电层之间的能级对齐的影响。一系列表征技术，包括电学测量、原子力显微镜（AFM）、光致发光（PL）、拉曼光谱（Raman）和掠入射X射线衍射（GIXRD），被用于阐明介电层诱导的形貌演变与电荷传输行为之间的关系。

实验结果表明，9.0毫克/毫升的BSA浓度能够实现最佳的器件性能。此时，介电层的厚度和表面形貌达到了理想的平衡，从而有效抑制了漏电流和界面陷阱密度，同时保持了足够的栅极电场穿透能力，以促进有效的载流子积累和传输。此外，BSA修饰的器件表现出类似于突触后电流（EPSC）的响应特性，显示出其在神经形态电子器件中的应用潜力。这些结果强调了BSA作为生物来源的介电材料在提升n型OFETs性能方面的价值。

在进一步探讨BSA修饰层对器件性能的影响时，研究还分析了不同浓度BSA对介电层厚度和表面能的影响。BSA的表面能与PTCDI-C13的表面能相匹配，有助于减少界面能垒，促进半导体晶粒的有序生长。此外，XRD分析显示，随着BSA浓度的增加，PTCDI-C13薄膜的晶格对齐性得到改善，其晶粒尺寸和晶格间距的变化表明BSA的引入促进了晶粒在平面方向上的生长，从而增强了载流子在沟道中的横向传输能力。

在突触行为的模拟方面，研究使用了BSA修饰的器件，测量其在单次电压脉冲下的电流响应。结果显示，使用4.5和9.0毫克/毫升BSA修饰层的器件表现出显著的EPSC特性，其电流变化幅度较大，信号与噪声比（SNR）达到三到四个数量级，能够清晰地区分突触响应与背景噪声。相比之下，使用30和100毫克/毫升BSA的器件虽然也表现出一定的电流变化，但其幅度和SNR均较低，表明其突触特性不如较低浓度的BSA修饰层明显。这些结果进一步表明，BSA在适当的浓度下能够有效地模拟生物突触的特性，具有在人工突触器件中的应用潜力。

综上所述，本研究通过系统地调节BSA的浓度，揭示了其在提升n型OFETs性能方面的双重作用。BSA不仅能够调节介电层的厚度，还能促进半导体材料的分子有序排列，从而改善电荷传输效率和界面质量。实验结果表明，9.0毫克/毫升的BSA浓度能够实现最佳的器件性能，表现出较高的迁移率、较低的陷阱密度和良好的晶格对齐性。此外，BSA修饰的器件在突触行为模拟中展现出优异的性能，为生物相容性介电材料在下一代有机电子器件和生物接口设备中的应用提供了坚实的实验基础。这些发现不仅拓展了BSA在有机电子领域的应用前景，也为开发高性能和生物相容性的电子材料提供了新的思路。