《iScience》：Organic semiconductor materials for neuromorphic and bioelectronic systems design rules and applications
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有机半导体凭借其机械柔性、电子性能可调、溶液加工性及生物相容性等特性，已成为神经形态与生物电子系统的关键材料。本综述系统阐述了分子设计、结晶度与电荷传输机制之间的构效关系，及其对器件性能的影响，重点探讨了共轭聚合物、小分子半导体及混合离子-电子导体在类脑计算与
有机半导体凭借其机械柔性、电子性能可调、溶液加工性及生物相容性等特性，已成为神经形态与生物电子系统的关键材料。本综述系统阐述了分子设计、结晶度与电荷传输机制之间的构效关系，及其对器件性能的影响，重点探讨了共轭聚合物、小分子半导体及混合离子-电子导体在类脑计算与生物集成电子领域的应用。研究人员进一步解析了有机场效应晶体管（OFET）、有机电化学晶体管（OECT）及有机忆阻器等核心器件架构，着重阐述其在突触可塑性模拟、学习功能实现及神经信号处理方面的研究进展。针对生物传感、神经接口及植入式生物电子应用，本综述深入剖析了操作稳定性、可扩展性及长期生物相容性等核心挑战。通过整合材料设计、器件工程与创新应用等多维度研究，本综述旨在为开发柔性、低功耗且生物兼容的电子技术提供理论框架，推动相关领域的协同发展。
引言
传统冯·诺依曼架构计算系统存在存储与计算单元分离的问题，导致数据交互能耗高、延迟大。与之相对，生物神经系统通过突触与神经元实现存储与计算的融合，具备高效的学习、适应与处理能力，这一特性推动了神经形态计算的发展，旨在通过电子器件模拟神经网络的结构与功能。同时，生物电子学正逐步从早期的生物传感与电生理信号采集向双向交互系统演进，可穿戴健康监测、神经接口及植入式医疗设备的需求，对电子器件的电学性能、机械柔顺性及生物相容性提出了更高要求。传统无机半导体材料如硅、砷化镓及金属氧化物虽具备高载流子迁移率与成熟的制备工艺，但其刚性特质及高温加工需求难以满足柔性、可拉伸及生物兼容电子系统的需求。此外，无机半导体以电子传输为主导的机制与生物体内的离子信号传导模式存在本质差异，且传统互补金属氧化物半导体（CMOS）架构的复杂性与高能耗限制了大规模低功耗神经形态硬件的开发。有机半导体凭借其π共轭分子结构带来的电子性能可调性、低温溶液加工能力（如旋涂、印刷及卷对卷制备）以及独特的混合离子-电子传导特性，成为神经形态与生物电子器件的理想候选材料。这类材料可通过分子工程调控能级结构，实现与生物组织的良好界面匹配，其中有机电化学晶体管（OECT）、有机场效应晶体管（OFET）及有机忆阻器件已成功模拟短时程可塑性（STP）、长时程增强及脉冲时序依赖可塑性等关键突触功能。本综述突破单一领域局限，系统整合神经形态计算与生物电子学的交叉研究，从分子设计、电荷传输机制及器件工程角度，构建面向人工突触、忆阻系统及生物接口器件的统一研究框架，并重点关注人工智能驱动生物电子、可穿戴神经形态系统、低功耗有机硬件及器件长期稳定性、可扩展性等转化医学关键问题。
有机半导体材料基础
有机半导体是一类基于共轭有机化合物或聚合物的电子材料，其电子结构与电荷传输特性由分子结构决定。与具有周期性晶格的无机半导体不同，有机半导体分子单元间通过弱范德华力结合，这一结构特征决定了其电荷传输机制的特殊性。
分子结构与电子特性
π共轭分子的交替单双键结构使π电子可在分子骨架中离域，形成分子轨道作为电荷载流子的传输通道，其中最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）分别对应无机半导体的价带与导带。共轭聚合物（如聚噻吩、聚芴及基于二酮吡咯并吡咯的材料）通过扩展π共轭长度、增强分子平面性，可有效提升电子离域程度、减小带隙，促进电荷注入与传输。但有机半导体普遍存在结构无序与分子间耦合较弱的问题，导致电荷载流子主要通过局域分子位点传输。分子工程策略如侧链修饰、给体-受体（D-A）结构构建及骨架刚性化，可在维持材料加工性能的同时优化电子特性。有机半导体与器件电极的能级匹配是决定电荷注入效率与器件性能的核心因素，界面偶极形成、化学反应及表面态会影响能级排列，而在电解质环境中，离子嵌入会改变局部静电势，进一步调控能级结构与载流子浓度，因此稳定界面构建与电极材料选择是器件工程的关键。
有机半导体的电荷运动
多数有机半导体薄膜因结构无序存在局域电子态，温度升高时以热激活的 hopping 传输为主导机制，载流子通过克服能量势垒在分子位点间跃迁，其传输效率受局域态能量分布与分子间距影响。与无机半导体中带传输相比，hopping 传输的载流子迁移率较低，且对温度、无序度及陷阱态高度敏感。在高度有序的有机晶体或规整聚合物薄膜中，增强的分子间耦合可实现类带传输，载流子迁移率随温度降低而升高，这要求对分子堆积、结晶度及薄膜形貌进行精确调控。研究人员通过溶剂工程、外延生长及定向结晶等方法提升结构有序度，但大面积有机薄膜中实现可靠带传输仍面临制备过程本征无序的挑战。分子堆积方式（如π-π堆叠距离、分子取向）直接影响轨道重叠程度，微小堆叠差异即可显著改变载流子传输效率。高结晶度虽能通过降低能量无序度与增强轨道重叠提升电荷传输性能，但会导致材料脆性增加，因此需通过引入柔性侧链、设计半结晶聚合物结构等策略，平衡电子性能与机械耐久性。
关键性能参数
载流子迁移率是评估有机半导体电学性能的核心参数，直接决定OFET的开关速度、输出电流、跨导及整体效率。典型有机半导体的载流子迁移率范围为10?4–10 cm2 V?1 s?1，优化材料与器件结构可实现超过20 cm2 V?1 s?1的迁移率，但仍远低于晶体硅的电子迁移率（约1350 cm2 V?1 s?1）与空穴迁移率（约480 cm2 V?1 s?1），这一差异源于无机半导体的共价晶格利于带传输，而有机半导体以分子间hopping传输为主。尽管迁移率较低，有机半导体在神经形态与生物电子器件中仍具显著优势，这类应用更关注低功耗、模拟信号处理、柔性及生物相容性，而非极致开关速度。操作稳定性是另一关键指标，有机半导体易受氧气、水、紫外辐射及热应力影响发生氧化、分子降解、形貌失稳及电荷陷阱效应，在生理环境中这一问题尤为突出。通过分子骨架工程、封装技术、界面优化及耐环境D-A聚合物设计可有效提升稳定性，但实际工况下的长期可靠性仍需深入研究。机械柔性是有机半导体的独特优势，其可沉积于柔性聚合物衬底并在弯曲、拉伸等形变下保持电学性能，这源于分子结构特性与溶液加工工艺的兼容性，使其成为可穿戴设备、植入式器件及柔性神经形态电子的理想材料。生物相容性方面，通过分子修饰可调控材料与生物组织的相互作用，减少不良反应；而混合离子-电子传导特性更实现了生物离子信号与电子器件信号的高效转换，在神经接口、生物传感器及仿生神经形态器件中具有重要应用价值。未来需通过分子工程、薄膜加工、界面科学与生物医学材料的跨学科融合，协同优化载流子迁移率、长期稳定性、机械柔顺性与生物相容性，推动有机神经形态与生物电子系统向低噪声、高可靠方向发展。
有机半导体材料分类
本综述基于材料本征结构架构对有机半导体进行分类，以避免功能或传输机制分类导致的重叠问题，系统涵盖共轭聚合物半导体、小分子有机半导体及有机复合与杂化半导体三大类，其中混合离子-电子传导等功能特性作为跨类别的专项属性进行讨论，为构效关系与器件性能对比提供清晰框架。
聚合物半导体
共轭聚合物半导体因机械柔性、溶液加工性及电子性能可调性成为有机电子材料的研究热点。其半导体特性源于主链扩展π共轭带来的离域电子态，利于电荷传输，尤其适用于柔性大面积电子器件。聚噻吩衍生物是研究最广泛的共轭聚合物，其中区域规整聚(3-己基噻吩)（P3HT）已成为有机电子领域的基准材料，其分子有序度、结晶度及π-π堆叠强度直接决定电荷传输性能，结构规整性提升可增强轨道重叠与载流子迁移率。但传统聚噻吩存在环境稳定性不足与电子传输性能有限的问题，为此研究人员开发了给体-受体（D-A）型共轭聚合物，通过分子设计优化环境稳定性与电荷传输特性。
小分子有机半导体
小分子有机半导体由具有明确分子结构与高化学纯度的离散π共轭分子构成，与共轭聚合物相比，其分子架构明确，可实现可重复的 electronic 性能、高效分子堆积及较高载流子迁移率。这类材料通过π-π堆叠作用实现分子有序排列与结晶，为电荷传输提供有利通道，是高性能有机电子器件的理想选择。代表性小分子半导体包括并五苯、并四苯、基于二酮吡咯并吡咯（DPP）的分子、苝二酰亚胺（PDI）衍生物、萘二酰亚胺（NDI）及各类D-A分子体系。通过侧链修饰、杂原子掺杂及能级调控等分子工程策略，可精准调控其电荷迁移率、环境稳定性及界面特性，适配特定器件需求。小分子半导体在高迁移率OFET、高性能传感器及复杂电路构建中展现出独特优势，其明确的分子结构也为构效关系研究提供了理想模型。
