基于低压DNTT（二氮杂萘四酮）的有机电化学晶体管的性能分析：用于未来的柔性pH值传感应用

《Microchemical Journal》：Performance analysis of low-voltage DNTT-based organic electrochemical transistor for future flexible pH sensing

有机电化学晶体管（OECT）在pH传感中的应用研究。通过物理模型分析DNTT基OECT在pH1-13范围内的性能，最大漏极电流灵敏度达49.56，门电压偏移灵敏度30.01 mV/pH，验证其低电压、高稳定性及柔性可穿戴特性，为生物传感平台开发提供新方向。

　　有机电化学晶体管（OECTs）在下一代柔性生物电子传感器领域展现出巨大的潜力。这种设备结合了高跨导率、优秀的信号放大能力、机械灵活性以及低功耗等特性，使其在神经形态计算和生物化学传感等新兴应用中极具吸引力。本文提出了一种基于Dinaphtho[2,3-b:2’,3’-f]thieno[3,2-b]thiophene（DNTT）的OECT结构，专门用于pH传感应用，并通过物理基础模型对其在生理pH范围（1至13）内的性能进行了深入分析。

随着人们对便携式、可穿戴的生物化学传感器需求的增加，OECTs因其独特的性能成为研究的热点。传统的生物化学传感器通常需要复杂的制造工艺和高成本的材料，而OECTs则提供了一种更为简单和经济的解决方案。它们能够在低电压下运行，且能够直接与生物或化学物质在水性环境中相互作用，从而实现更高的灵敏度和更好的生物相容性。这种特性使得OECTs在实时监测多种生物标志物方面具有显著优势，例如血液、唾液、汗液和泪水等生物流体中的pH值。

在生物流体中，pH值是一个重要的健康指标。例如，血液pH值通常维持在7.35至7.45之间，任何轻微的偏离都可能预示着严重的健康问题。相比之下，唾液和汗液的pH值会随着饮食、水分摄入和体力活动等因素发生变化，这些变化为连续、非侵入式的健康监测提供了有价值的信息。因此，开发一种能够准确、稳定地测量pH值的OECT对于推动生物电子技术的发展至关重要。

有机半导体材料在构建低成本、柔性且环保的个性化医疗平台方面提供了有力的支持。有机场效应晶体管（OFETs）因其机械灵活性、易于制造以及可调的电子特性而被广泛研究，适用于柔性、环保、低成本和大面积电子应用。近年来，低功耗软晶体管和混合介电材料的进展使得OECTs能够在低电压下实现多级操作，为节能、可穿戴和柔性电子设备的发展铺平了道路。然而，传统OFETs主要依赖于纯电子电荷传输，这在涉及液体环境的传感应用中存在一定的局限性。为了解决这一问题，OECTs通过结合离子和电子传输，能够更有效地与生物或化学物质相互作用，从而提高其在生物化学传感和pH监测中的性能。

在本研究中，我们引入了DNTT作为OECT的活性半导体材料。DNTT以其高载流子迁移率、优异的化学稳定性和低电压操作能力而著称，这些特性使其成为生物电子传感应用的理想选择。为了评估DNTT基OECT在pH传感中的潜力，我们使用Silvaco TCAD平台进行了全面的设备模拟。该平台通过有限元网格数值求解泊松方程和连续性方程，从而精确描述设备的几何结构和电化学行为。我们采用了一种基于物理的模型，将电解质中的离子动力学与半导体中的载流子调制联系起来，以有效模拟电解质-半导体界面的行为。这一模型结合了泊松-玻尔兹曼方程和费米-狄拉克统计，用于近似系统在不同pH条件下的电化学特性。

模拟环境经过精心设计，以复制真实的生物流体条件。pH的变化被建模为在栅极-电解质界面处离子浓度的变化，这些变化进一步影响了通道的导电性。这种方法使我们能够研究所提出的OECT在不同生理条件下的灵敏度、稳定性和信号转换特性。通过这种方式，我们不仅能够评估设备的性能，还能够探索其在生物电子传感中的应用潜力。

研究结果表明，所提出的DNTT基OECT在pH传感中表现出优异的性能。在栅极-源极电压为-0.2 V的情况下，最大漏电流灵敏度达到了49.56，这显示出设备在低电压操作下的强大能力。此外，栅极电压偏移分析表明，该设备对pH变化的响应灵敏度约为30.01 mV/pH，进一步验证了其在实时监测中的适用性。这些结果表明，DNTT基OECT具有良好的稳定性和信号转换能力，为未来在柔性、可穿戴生物化学传感平台中的集成提供了坚实的基础。

本研究的创新点在于，首次对专门用于pH传感的DNTT基OECT进行了全面的模拟研究。我们引入了一种新的设备结构，并通过先进的TCAD模拟技术，使用基于物理的电解质相互作用模型对其进行了优化。此外，我们对设备在生理相关pH范围内的灵敏度进行了深入分析，强调了其在未来的柔性生物传感中的应用潜力。最后，我们探讨了该设备在柔性电子中的设计兼容性，包括低电压操作、低成本制造、机械适应性和生物相容性等关键因素。

本研究不仅推动了有机pH传感器的设计进展，还为未来将DNTT基OECT集成到可穿戴诊断系统中奠定了基础。通过解决材料限制并采用先进的模拟技术，我们的研究为利用新兴有机材料开发高性能生物化学传感器提供了蓝图。这一成果有望促进生物电子技术的发展，为实现低成本、实时的健康监测提供新的解决方案。