伊康哲

摘 要：化学传感器是基于有机半导体材料的有机场效应晶体管的一个重要的应用方向。本文介绍了有机场效应晶体管化学传感器的工作原理和优点，总结了近年来有机场效应晶体管化学传感器的发展过程、优化方法，以及此类器件在气体传感、液体传感等领域的不同应用方向。并对有机场效应晶体管化学传感器在将来的阵列化、多功能、柔性化等方向的发展趋势做了展望。

关键词：有机半导体；有机场效应晶体管；化学传感器；柔性电子器件

中图分类号：O62 文献标识码：A

有机半导体是基于有机共轭分子的一类具有半导体电学特性的有机物，根据其分子类型可以分为小分子有机半导体和聚合物半导体。科研工作者们围绕基于有机半导体材料的电子器件展开了大量的研究，认为有机半导体将开辟电子器件的新时代——有机电子器件时代。目前为止，大量的有机半导体材料被发现，已经形成了一个巨大的半导体材料体系。据不完全统计，已发现的有机半导体材料已经超过700种。和传统的无机半导体器件相比，有机半导体继承了有机物的特性，因此拥有一些优点，例如：有机半导体结构的多样性允许通过分子设计实现材料的功能化；有机半导体材料具有柔韧性，可以利用柔性基底，制备全柔性器件，进而得到柔性显示屏、柔性集成电路、电子纸等可卷曲、可折叠产品；大部分有机半导体材料可采用低成本易操作的溶液法进行器件的制备，如喷墨打印、旋涂、滴注、印刷等，有利于大规模制备集成电路，制备成本低等。由于有机半导体的这些特点，因而科研机构广泛地研究其用在有机发光器件、有机光检测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、记忆组件、大规模集成电路、电子纸等众多领域的潜在应用前景。

有机场效应晶体管是以有机半导体材料作为核心的晶体管器件，其器件结构如图1所示，包含半导体层，介电层以及3个终端（源极，漏极和栅极）。由于有机半导体作为有机物本身的物理和化学特性，因此其导电能力容易随着外部的环境而变化，这一特性使得有机场效应晶体管在化学传感中有着良好的应用前景。

随着科学技术的发展，以及人类对生活环境和生活水平的要求的提高，能有效探测各类有害化学物质的传感器在国防军事，工业生产，环境监控以及医疗卫生等方面有着越来越重要的作用。而近年来，关于食品卫生安全方面的问题和隐患正越来越受到人们的重视，比如蔬菜水果上的农药残留，奶粉中的三聚氰胺、过期食品的滥用，以及有害化学添加剂在食品中的使用等一系列事件和现象，更使得能方便有效地检测食品安全的传感器成为当前亟待研究的重要课题。常用的化学检测仪器通常成本高，体积大，操作复杂，无法完全满足当前的实际需要。尤其是在人们的日常生活中需要低成本易操作的检测方法，现有的检测仪器和手段的应用受到很多方面的限制。因此，研究一种低成本，操作简单，携带方便的有害物质探测传感器具有非常重大的科研意义。

基于有机场效应管的传感器有着成本低，简单轻便，检测方便快速等诸多优点。能极大地弥补大型化学检测仪器的不足，适合在日常生活中广泛应用，成为对现有化学检测仪器和手段的有效补充。更重要的是，可以通过化学合成的方法制备合成带有特定分子基团和分子结构的有机半导体材料，在保持材料的电学性能的同时，控制改变材料的化学特性，从而大大提高有机半导体材料对特定化学物质的探测灵敏度和选择性。此外，基于晶体管结构的传感器能直接以输出电流作为传感器的输出信号，不需要进行信号转换，因此结构简单，非常有利于传感器的小型化。相对而言，许多其他类型的传感器需要专门的附加器件把某种物理量或者化学量转化为电信号进行测量，使得整体的传感器器件结构相对复杂，不利于在日常生活中大范围地使用。而且基于晶体管结构的传感器能提供更多的关于探测目标物质的信息，从而得到更准确更具选择性的探测。

有机场效应管化学传感器的传感探测工作原理就是利用被检测物分子与有机半导体层之间的物理、化学反应来实现检测。例如利用被检测物质和有机半导体层的电荷相互作用、电荷掺杂等相互作用，引起有机场效应晶体管中的电荷的移动速度、浓度的改变，从而改变器件的输出电流特征，从而实现对化学物质的辨识性和定量化检测，因此提高传感灵敏度和选择性的基本策略是加强待检测物与半导体特异性相互作用。

早期有机场效应晶体管化学传感器的研究主要集中气体传感中。近些年，有机场效应晶体管的研究被拓展到了液体传感中。比如斯坦福大学的鲍哲南教授和她领导的团队报道了能在水溶液环境下工作的基于有机半导体薄膜晶体管的传感器。当前国际上现有研究中的有机场效应晶体管化学传感器基本都基于薄膜晶体管结构，然而有机半导体薄膜结构的固有特性限制了化学传感器灵敏度和反应速度进一步提高的空间。因为探测目标分子需要在有机半导体薄膜中扩散传输，并在所有可吸附点达到浓度平衡后才能使有机场效应晶体管化学传感器的反应达到最高点。因此有机场效应晶体管中有机半导体薄膜的厚度在近几年的研究中不断被减小，以减小探测目标分子在扩散穿透薄膜所需的时间，从而提高传感器的灵敏度和反应速度。科研人员曾研究开发了超薄的有机半导体薄膜晶体管传感器，最薄的有机半导体薄膜达到了几个纳米厚度，已经接近了这种薄膜结构的极限，无法再通过减小有机半导体薄膜厚度来进一步提高传感器性能。

未来的有机场效应晶体管，其发展方向主要有阵列化、多功能、柔性化等方向。阵列化的有机场效应晶体管使用多个同类或不同类的有机半导体和晶体管单元，将他们整合在一个器件上，这样不同的器件会对每种化学探测目标有不同的反应，从而形成一種反应图谱，以此能有效提高器件的探测选择性和准确度。多功能化指器件具备除了化学传感以外不同的探测能力，例如对温度和压力的探测。柔性化的有机场效应晶体管利用有机半导体本身的柔性优点，制备整体能弯曲变形的传感器薄膜，可以在电子皮肤等领域有潜在应用。此外，进一步提高有机场效应晶体管化学传感器的长期稳定性也是一个重要的发展方向。而从传感器种类方面看，有机场效应晶体管传感器的种类将越来越多，也越来越完善。有机场效应晶体管传感器的核心部分是有机半导体层，因此有机半导体材料的发展对有机场效应晶体管传感器的发展起到重要推进作用。随着有机半导体材料种类的继续增多，基于有机半导体材料的传感器种类和数量也将逐渐增多，这种便捷的低成本传感器将用于更多的场合，获得更好的性能。

参考文献

[1]胡文平.有机场效应晶体管[M].北京：科学出版社，2011.

[2]刘雅玲，李洪祥，胡文平，等.有机单晶场效应晶体管[J].化学进展，2006（18）：189.