有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控離子注入有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，實(shí)現(xiàn)體相的離子-電子耦合傳輸，具有低工作電壓、高跨導(dǎo)和良好生物相容性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、可穿戴電子以及腦機(jī)接口等生物電子學(xué)領(lǐng)域。然而，由于離子遷移速度與載流子傳輸速度之間的不匹配，盡管OECT具有較高的放大能力（G_m），但其響應(yīng)時(shí)間（τ）較慢，限制了器件在快速響應(yīng)如生理電信號(hào)傳感中的應(yīng)用。因此，如何優(yōu)化離子-電子耦合過(guò)程，打破放大能力與響應(yīng)時(shí)間的制約關(guān)系，仍是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的核心挑戰(zhàn)。

  在國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和北京市的支持下，國(guó)科大化學(xué)科學(xué)學(xué)院張鳳嬌課題組提出了側(cè)邊離子注入輔助的離子電子混合傳輸調(diào)控策略，構(gòu)建了放大能力與響應(yīng)速度協(xié)同提升的高性能有機(jī)電化學(xué)晶體管。該工作通過(guò)半導(dǎo)體薄膜的條狀微結(jié)構(gòu)化，主動(dòng)創(chuàng)建側(cè)邊離子注入通道，實(shí)現(xiàn)垂直和水平方向協(xié)調(diào)調(diào)控的離子-電子耦合傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)邊離子傳輸通道的創(chuàng)建可以有效降低離子注入過(guò)程中的勢(shì)壘，為實(shí)現(xiàn)均勻摻雜和快速的氧化還原過(guò)程提供了更高效的離子動(dòng)力學(xué)途徑。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控側(cè)邊離子注入的面積比例（RoL）可以調(diào)控電荷傳輸性能，器件放大能力與響應(yīng)速度的性能優(yōu)值（G_m/τ）提高600%，最大值為16.2 mS s⁻¹。此外，研究進(jìn)一步研究驗(yàn)證了該方法在不同電解質(zhì)、半導(dǎo)體及薄膜厚度中的普適性，為探索高性能有機(jī)電化學(xué)晶體管提供了有效方式。基于此方法構(gòu)建的期間被成功應(yīng)用于心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的響應(yīng)和信噪比顯著提升，為心電圖模式識(shí)別在病理診斷中的應(yīng)用提供了有效方案。

圖1 （a）OECT器件結(jié)構(gòu)示意圖：I, 傳統(tǒng)離子傳輸：離子通過(guò)垂直方向注入半導(dǎo)體薄膜；II, 側(cè)邊輔助的離子傳輸：離子通過(guò)垂直和側(cè)邊傳輸通道注入半導(dǎo)體薄膜；（b）不同寬度條狀半導(dǎo)體薄膜的AFM高度圖，從左至右分別為：100 μm, 50 μm, 30 μm, 10 μm, 2 μm。

  上述研究提出了側(cè)邊離子注入輔助的有機(jī)電化學(xué)晶體管構(gòu)建新思路，為高性能生物電子器件的制備及其在生理電信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了有效方法。相關(guān)工作發(fā)表于Nature Communication（2024, 15, 10118.），文章的第一作者為博士研究生顏超義。