垂直晶体管原型显示生物医学可穿戴设备的前景

随着可穿戴设备越来越受欢迎，研究人员正在设计新的设备，这些设备可能在监测健康方面发挥关键作用。然而，生物医学可穿戴设备的未来首先需要生物传感和人体设备兼容性的进步。

为此，研究人员对一种名为有机电化学晶体管（OECT）的晶体管进行了研究，该晶体管显示出显著的生物传感能力。西北大学的一个跨学科小组最近宣布，在使用垂直晶体管架构开发OECT技术方面取得了重大进展。

 

电化学晶体管是基于一种新型电子聚合物和垂直结构。图片由西北大学提供

 

什么是有机电化学晶体管？

OECT通过施加外部电场或化学势来调节有机半导体材料的导电性。

通常，OECT由三个主要部分组成：有源层、栅电极以及源极和漏极。通常由有机半导体材料制成的有源层负责器件的电性能。栅极控制流过有源层的电流，源极和漏极接收施加的电压并测量出产生的电流。在OECT中，所有三个电极都与有源层接触。

 

OECT传感器的示意图。图片由Frontiers提供

 

在许多情况下，OECT的栅极端子连接到电解质溶液，电解质溶液可用于将离子引入有机半导体材料中。在这些应用中，OECT使用电解质溶液来控制半导体材料中的离子浓度，从而控制电导率。然后可以使用这些离子来调节材料的导电性并控制源极和漏极端子之间的电流。

通过这种方式，OECT可以用作开关或检测器。

 

为什么OECT在生物识别监测中具有吸引力

生物可穿戴设备对OECT的研究如此之多，原因有很多。

OECT具有许多有利的操作特性，例如低驱动电压、低功耗和高跨导（换句话说，对于输入电压的小变化，输出电流的高变化）。由于这些特性，OECT在生物医学应用中具有前景，在生物医学应用中将需要检测和放大小的生物信号，如神经递质或酶，并将其转换为可测量的电信号。

 

生物医学应用中的OECT。图片由Frontiers提供

 

此外，由于OECT由有机材料制成，因此与无机晶体管相比，OECT具有相当大的灵活性和生物相容性。这使得OECT能够适应许多传统电子设备可能不可行的形状因素和位置，例如植入式医疗设备。

然而，尽管他们做出了承诺，但在开发OECT方面仍然存在挑战。特别是，OECT较差的电子传输特性在历史上使其作为p型晶体管的性能远高于n型晶体管。迄今为止，n型OECT已被证明具有比其n型对应物低约1000倍的跨导和电流密度。

在OECT能够在任何应用中找到用途之前，有必要开发性能相当的n型和p型变体。

 

西北大学研究人员开发垂直OECT

本周，西北大学的一组研究人员宣布了一种新的、高性能的、平衡的OECT变体。

根据研究人员的说法，由于两大发展，他们开发了在n型和p型变体之间具有相同性能的OECT：一种新型电子聚合物和垂直结构。

正如他们在《自然》杂志上的论文所述，研究人员创造了一种新的电子聚合物，它将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原非活性光固化和/或光图案化聚合物混合在一起。结果是OECT中的离子可渗透半导体通道，其表现出（3.33）的p型和n型迁移率 ± 0.27) × 10⁻³ 厘米^2. 五、⁻¹ s⁻¹和（3.06 ± 0.61) × 10⁻³ 厘米^2. 五、⁻¹ s⁻¹分别地

OECT的垂直架构。自然提供的图像

 

此外，该团队采用了一种垂直架构，其中触点相互层叠。研究人员声称，这种垂直结构使器件具有更大的循环稳定性和堆叠晶体管的能力，从而实现更密集的集成。

根据该团队的说法，这是“真正垂直”OECT的首次演示。电化学晶体管原型还与水和血液兼容，使其能够在测量心跳、血液中钾和钠的水平以及睡眠障碍研究期间的眼动时放大信号。