基于噻吩的垂直有机电化学晶体管实现超高跨导性能突破

这篇研究报道了基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚(3-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙基噻吩)(P3MEEET)的垂直台阶边缘有机电化学晶体管(vOECT)创纪录的跨导值(>100 mS)。通过优化器件几何结构参数(Wd/L)和材料本征特性(μC*)，实现了超高电流放大能力，并提出以器件最小截面积(Wd)归一化跨导的新评价标准，为高灵敏度生物电子器件开发提供了新范式。

　　

有机电化学晶体管(OECT)作为高效的离子-电子转换器件，其跨导(g_m)参数直接决定信号放大能力。本研究通过垂直台阶边缘结构(vOECT)设计，在两种经典p型有机半导体材料中实现了突破性性能：

1. 1.

   创新器件结构与性能突破

   采用独特的台阶边缘设计(图1)，通过精确控制腔体填充程度，使聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚(3-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙基噻吩)(P3MEEET)分别获得135 mS和111 mS的创纪录跨导值。扫描电镜(图4)证实半导体材料能完全填充300nm深的电极间隙，形成仅160nm(P3HT)和115nm(P3MEEET)的有效沟道厚度(d)。

2. 2.

   材料工艺优化关键

   研究发现P3HT的退火工艺显著影响性能：延长退火时间至1小时使跨导从46mS提升至135mS，开关电流比保持10⁵量级。而具有更长侧链的P3MEEET虽展现更快开关速度(2.3ms)，但因工作电压窗口受限(-0.6V至-0.4V)，最大电流仅达-18mA。

3. 3.

   评价标准创新

   提出以截面积(Wd)归一化跨导的新指标(g_m/Wd)，P3HT和P3MEEET分别达到2019μS/μm²和2313μS/μm²，优于多数报道的垂直结构(图6)。该指标有效解决了不同架构间的比较难题，揭示台阶边缘设计在微型化方面的优势——其截面积仅为堆叠结构的1/10。

4. 4.

   传导机制阐释

   通过系统改变沟道宽度(W=150-400μm)发现，即使薄膜总面积为140×15-35μm且存在随机剥离(图S2)，跨导仍严格遵循线性增长规律(图3f插图)，证实电流传导主要发生在台阶边缘的纳米级截面积区域，而非整个薄膜区域。

5. 5.

   应用前景展望

   该工作通过：

   • •

     验证经典材料在优化结构中的极限性能

   • •

     建立普适性性能评价体系

   • •

     阐明几何参数与材料参数的协同优化路径

     为开发高灵敏度生物传感器、神经形态器件提供了可扩展的技术平台，其归一化指标更为集成电路设计提供了重要参考依据。

器件制备采用标准的微加工工艺(图2)，在氮气环境下旋涂半导体层，通过剥离牺牲层精确控制活性区域。电学测试使用Ag/AgCl参比电极和100mM LiTFSI电解质，所有测试均在环境条件下完成，展现出良好的工艺兼容性和环境稳定性。