有机场效应晶体管传感器的设计、构建及功能性质研究

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有机场效应晶体管(OFET)近年来发展迅猛,大量性能优异的有机半导体材料不断涌现,器件制备技术也取得了很大进步。OFET的发展进入了多功能化研究的新阶段。传感器为代表的OFET多功能研究成为领域前沿,本论文以OFET作为传感功能性质研究的平台,设计、构建了一系列新型OFET传感器,并对其功能应用进行了研究与探索。主要研究工作分为以下四个方面:  1.将气相化学反应引入到有机半导体层表面,开发出“气相化学反应辅助型”高选择性OFET气体传感器。利用半导体层对NH3的吸附作用,成功将NH3探针引入到OFET。基于敏感探针与检测气体HCl的化学反应,成功实现了HCl的高选择性定量检测。此外,该方法还有利于传感灵敏度、可重复使用性的提高。该方法具有良好的普适性,结合吸附的气敏探针和气相化学反应与化学作用,实现了NH3、NO2的高效检测,为构筑综合性能优异的气体传感器提供了新思路。  2.设计并首次构建了悬浮栅极OFET压力传感器。基于该器件结构,打破了限制超灵敏OFET压力传感器发展的瓶颈,获得了高达192 kPa-1的超高灵敏度。该器件兼具优异的检测限、响应速度和稳定性等性能指标。基于该器件优异的综合性能和传感灵敏度的可调节特性,实现了人体脉搏监测、声波检测、具有空间分辨能力的触摸成像和微小物体运动追踪,在可穿戴健康监测和电子皮肤方面显示了重要的应用价值。  3.结合复合悬浮栅极材料开发,构建了灵敏的柔性OFET磁场传感器。基于材料复合策略,利用PDMS、AgNWs和Fe3O4 NPs发展了具有优异的导电性、柔性和磁性的栅极材料。融合该功能栅极在微弱磁力下的形变特性和FET的信号放大功能,获得了高达88.4% mT-1的磁场传感灵敏度。通过进一步构筑柔性磁控开关和具有磁成像功能的磁敏矩阵,探索了其在人机交互和磁敏皮肤中的潜在应用。  4.在OFET仿生信号传递元件构建的基础上,实现了其与柔性传感器的集成,发展了具有信号转换和信息处理功能的OFET触觉系统。利用质子传导型绝缘层材料和栅极错位型器件结构设计,制备了可模拟人类突触信号传导特性的OFET人工突触。将该元件与悬浮栅OFET压力传感器相集成,构建了人工触觉系统。该系统具有综合的压力信号采集、传导以及信息处理功能,为构建新型人工智能器件提供新策略。
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