具有高跨導和快速響應的超靈活電化學半導體——二維MOFs新應用
研究背景
電解液門控半導體(EGT)已被視為許多應用的基本構件，包括可穿戴/植入式電子器件、神經形态器件和低壓電路。作為薄膜半導體的一個子類，EGT 具有與傳統的場效應半導體(FET) 類似的器件結構，而FET中的固态栅極電媒體層被連接配接EGT的通道和栅極的電解質(液體、凝膠和固體)所取代。是以，在電解質中工作的EGT，特别是水溶液，對生物電子應用具有内在的優勢。跨導(gm=бIDS/бVGS) 是半導體将施加在其栅極(VGS)上的電壓信号轉換成通道電流響應(IDS) 的一個關鍵參數。EGT通常表現出較高的跨導，是以可以在各種傳感應用中作為放大器使用，如化學傳感器和生物傳感器。半導體的跨導率與μC的乘積成正比，其中μ是通道中的載流子遷移率， C是門電容。EGT已經在各種材料的基礎上實作，如石墨烯，過渡金屬二氯化物，非晶金屬氧化物和有機半導體。迄今為止，被稱為有機電化學半導體(OECTs)的電解質門控有機半導體由于其高門電容而顯示出最高的跨導率。為了進一步提高EGT的器件性能，需要在電解質中同時具有高載流子移動性和大電容的材料。
研究成果
電化學半導體(ECTs) 由于其高跨導、低工作電壓和多功能的器件設計，在生物電子學和神經形态器件中顯示出廣泛的應用。為了進一步提高器件的性能，需要在電解質中具有高載流子移動性和大電容的半導體材料。在此，香港理工大學Feng Yan教授團隊展示了基于高度定向的二維共轭金屬有機架構(二維c-MOFs)的ECTS。在二維c-MOFs薄膜内形成的離子導電的垂直納米孔導緻了最友善的離子轉移和高容積電容，賦予了器件快速的速度和超高的跨導性。超靈活的器件陣列成功地用于可穿戴的沿不同方向的心電圖(ECG) 信号的記錄，可以提供與多導聯心電圖測量系統相媲美的各種波形，用于監測心髒狀況。這些結果表明，二維c-MOFs是用于高性能ECT的優秀半導體材料，在柔性和可穿戴電子裝置中具有廣闊的應用前景。相關研究以“2D metal-organic frameworks for ultraflexible electrochemical transistors with high transconductance and fast response speeds”為題發表在Science Advances期刊上。
圖文導讀
Fig. 1. Microfabrication of MOFECTs.
Fig. 2. Figures of merit of MOFECTs.
Fig. 3. Transient response and stability of MOFECTs.
Fig. 4. Implementations of MOFECTs in flexible circuits.
Fig. 5. Implementation of large-area MOFECT arrays in wearable ECG mapping.
總結與展望
作者發現，二維c-MOF Cu3(HHTP)2是一種理想的ECT通道材料，因為它具有多孔的晶體結構和高載流子遷移率。在高度定向的Cu3(HHTP)2友善的液相沉積的基礎上，大規模的MOFECT陣列已經實作了高産量和均勻的遷移率分布。MOFECTs表現出平衡的雙極行為，其中Cu3(HHTP)2通道的體積電導率可以通過電解質中的陽離子或陰離子摻入而得到明顯調節。高度定向的Cu3(HHTP)2薄膜為整個薄膜提供了垂直的離子通道，導緻了高容積電容、友善的離子傳輸和快速的器件響應速度。與基于聚合物的ECTs不同的是，聚合物在水性電解質中的溶脹需要得到明智的控制，以平衡有效的大量離子摻雜和穩定的操作，而MOFECTs由于Cu3(HHTP)2薄膜的高結晶度而顯示出可忽略的溶脹，為器件提供了良好的操作穩定性。MOFECTs 已經成功地部署在超薄柔性電路中，包括雙極性逆變器和互補逆變器，在0.4 V的低工作電壓下表現出高達15 V V-1的電壓增益和快速開關(1.27 kHz)。受益于高跨導和友善的大面積制造，超靈活的MOFECT陣列已經被制造出來，并被用于沿不同方向的心電圖信号的皮膚映射。這項工作證明了MOFECTs在大面積和柔性電子方面的巨大潛力。
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2D metal-organic frameworks for ultraflexible electrochemical transistors with high transconductance and fast response speeds
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