基于三明治结构活性层的超灵敏近红外有机光电突触晶体管及其双通道协同调控机制研究

针对有机光电突触晶体管(OPSTs)在近红外(NIR)波段灵敏度低、激子解离效率差等关键问题，研究人员通过设计半导体-介电层-半导体三明治结构活性层，实现了双通道协同调制和界面陷阱增强。该器件在0.22 mW/cm2 NIR光照下获得～106的超高光电灵敏度，较单通道器件提升三个数量级，为智能夜视和神经形态成像系统提供了创新解决方案。

　　

在人工智能和智能夜视技术快速发展的今天，开发能够模拟人类视觉系统的光电突触器件成为研究热点。然而，传统有机光电突触晶体管(OPSTs)面临近红外(NIR)波段灵敏度低的核心瓶颈——有机材料固有的低介电常数导致激子结合能高达0.3-1 eV，光生激子扩散距离短且解离效率不足。尽管通过垂直异质结结构或引入电荷捕获层等尝试有所改进，但灵敏度仍局限在10²量级，严重制约了其在自动驾驶、医疗诊断等领域的应用。

吉林省自然科学基金支持的研究团队创新性地提出三明治结构活性层设计。通过半导体-介电层-半导体(DPS)夹心构型构建双通道OPSTs，利用增加的陷阱界面促进激子解离，在0.22 mW/cm² NIR光照下实现～10⁶的超高光电灵敏度，较传统单通道器件提升三个数量级。该成果发表于《Journal of Materials Science》，为发展超灵敏NIR神经形态成像系统开辟了新路径。

关键技术包括：1) 采用溶液法制备DPPT-TT/IDTBT聚合物半导体三明治活性层；2) 通过PEDOT:PSS/PVA介电层实现双通道协同调控；3) 利用FS-30表面活性剂优化界面接触；4) 搭建光电响应测试系统量化灵敏度参数。

【设计灵感】
受人类视网膜中视杆/视锥细胞分级信号处理机制启发，研究团队模拟生物视觉通路构建双通道器件。三明治结构中的半导体层(DPPT-TT和IDTBT)分别对应不同波长的光信号检测，介电层(PVA)则模拟神经递质传递角色。

【材料制备】
选用高分子量DPPT-TT(Mw>100 kDa)和IDTBT(Mw≈340 kDa)作为半导体材料，通过旋涂工艺与PEDOT:PSS/PVA介电层交替堆叠。引入乙二醇提升PEDOT:PSS电导率，FS-30优化薄膜形貌，最终形成具有多重陷阱界面的活性层结构。

【结论】
该研究证实三明治结构可有效突破有机半导体激子扩散限制：1) 双通道设计使光电流增益提升10³倍；2) 界面陷阱密度增加使激子解离效率提高82%；3) 器件成功模拟长时程增强(LTP)等神经突触可塑性。

【意义讨论】
此项工作突破传统OPSTs的灵敏度极限：1) 通用性方法可拓展至其他聚合物体系；2) 0.22 mW/cm²弱光响应满足夜间环境需求；3) 为开发具备环境自适应能力的仿生视觉芯片奠定基础。研究团队特别指出，该技术未来可与柔性电子结合，推动可穿戴神经形态设备发展。作者Hongyan Yu、Jingchun Sun和Xiaoli Zhao等强调，这种模块化设计策略为有机光电材料在人工智能领域的应用提供了全新范式。