揭秘有机混合离子 - 电子导体通道中的耗散电荷传输：突破生物电子与神经形态器件性能瓶颈

为探究有机混合离子 - 电子导体（OMIECs）中材料参数对信号传播速度和能量耗散的影响，研究人员结合电测量和调制电化学原子力显微镜技术展开研究。结果表明在相关频率下，相速度受μe/cv比值主导，该研究为 OMIECs 材料设计提供新范式。

　　在生物电子和神经形态器件领域，有机混合离子 - 电子导体（OMIECs）备受关注。它能在水溶液环境中有效转换离子通量为电信号，具有生物相容性、柔软机械性能和易加工等优点，被广泛应用于微电极阵列、有机电化学晶体管（OECTs）等多个方面。然而，目前对于 OMIECs 中电荷传输的理解还存在诸多不足。虽然近期研究发现有机电化学晶体管中电信号的放大取决于 OMIEC 通道的体积电容cv和电子迁移率μe，但材料参数如何影响信号传播速度和能量耗散仍不清楚。这一知识缺口限制了新型材料的优化以及电路的设计和评估。

为了填补这些空白，来自意大利博洛尼亚大学（University of Bologna）物理系和天文学系的研究人员 Filippo Bonafè、Mattia Bazzani 等人开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上。该研究通过结合微结构 OMIEC 通道中相速度的电学测量以及利用调制电化学原子力显微镜（mEC - AFM）对离子位移进行局部测量，并使用简化传输线模型解释实验数据，确定了 OMIEC 通道的色散关系。研究发现，在相关频率下，相速度主要由μe/cv的比值决定，这一比值构成了评估材料配方的一个重要指标。此外，研究还对基于 OMIEC 的电路的固有局限性进行了分析，并将其效率与神经元信号传输进行了比较。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。在器件制备方面，通过光刻等一系列精细的工艺在玻璃基板上制作出具有特定结构的 PEDOT:PSS 通道及金属接触。在测量技术上，采用电学测量和 mEC - AFM 成像实验两种手段。电学测量时，以 0.1M PBS 为电解液、Ag/AgCl 丝为参比电极，利用锁相放大器在不同频率下对 OMIEC 膜施加正弦振荡电压，测量电极电位和耗散交流电流的幅度及相移；mEC - AFM 成像实验同样在上述电解液和参比电极条件下，对特定频率的电压激励下的 PEDOT:PSS 层进行成像，获取局部电致伸缩信号的幅度和相移信息。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 模拟耗散电信号传播系统中的电荷传输：基于混合导体体积元模型，推导出描述信号传播的等效电路。在水平方向，考虑电子载流子路径的电阻r0；垂直方向，通过体积电容将电子路径与离子传输路径耦合，建立了传输线模型，其传播常数γ=1+jωcvρlonth2jωcvρel 。该模型与生物物理中神经脉冲沿轴突传播的模型类似，两者都满足相同的传输方程。
2. OMIEC 薄膜在电解质界面处的信号传播：通过实验测量 AC 电位波沿微结构 OMIEC 通道的时空传播，发现低频时信号衰减小、相移接近0° ；随着频率增加，信号衰减和相移增大；高频时，信号衰减与频率无关且相移回到0° 。实验数据与理论模型高度吻合，同时研究还发现改变 PEDOT:PSS 通道的掺杂水平会影响信号耗散，电子电导率降低会导致更强的信号耗散。
3. OMIEC 通道中耗散传输的纳米级测量：利用 mEC - AFM 技术测量 OMIEC 通道中电压信号的传播，通过测量 AFM 悬臂的偏转获取应变波的幅度和相移信息。计算得到的局部相速度与理论值相符，证明了宏观电信号色散与纳米级电荷传输现象的内在关联，同时验证了电学测量中边界条件假设的合理性。
4. 讨论：OMIEC 通道中电子和离子的不同传输方向导致频率相关的耗散，这影响了信号传播速度和幅度衰减。研究确定了低频率和高频率下信号传输的不同机制，低频时信号衰减和速度由电子电导率和体积电容决定，高频时离子电导率和通道几何形状起决定性作用。与神经轴突相比，PEDOT:PSS 通道信号衰减大、速度低，这是由于其与电解质的强电容耦合。

综上所述，该研究对于推进 OMIEC 材料科学具有重要意义。一方面，利用传输线理论解释信号传播光谱，为准确测量有机混合导体在运行过程中的体积电容、电子电导率和离子电导率提供了新工具；另一方面，揭示的耗散电荷传输现象为材料设计引入了新范式，表明应设计低体积电容的 OMIEC 材料以减少信号衰减、提高传播速度。此外，研究还提出了一个新的材料电荷耗散性能指标 —— 约化传播常数γ?=μc0 ，强调在评估有机混合导体时，需综合考虑跨导gm和传播常数，以实现材料参数的优化平衡，为生物电子和神经形态器件的发展提供了关键理论支持和实践指导。