虑及栅电极极化及吸附电荷影响的有机电化学晶体管I-V特性研究

Current-Voltage Characteristics of Organic Electrochemical Transistors Considering Effects of Gate Polarization and Adsorbed Charge

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摘要有机电化学晶体管(OECT)具有良好的生物兼容性、较低的工作电压以及优异的信号放大能力等特点,被广泛应用于生物传感领域.栅电极修饰是利用OECT进行生物传感的关键,但现有OECT理论无法描述栅电极极化与电荷吸附对电流-电压(I-V)特性关系的影响.本研究通过构建栅电极/电解液、半导体沟道/电解液界面微分电容串联模型修正了Bernards-Malliaras I-V特性关系,并通过实验研究讨论了此修正模型的有效性,具体包括改变恒电位电沉积时间调控栅电极表面PEDOT:PSS薄膜厚度(0.80～3.73μm)以及栅电极/电解液界面电容(CG)(24.01～120.10μF).结果表明,OECT跨导峰值随着CG的增加而增大;设置栅电极电压(VG)为+0.6 V时,半导体沟道电流(IDS,l)随着CG的增大而单调上升;设置VG为-0.6 V时,IDS,l随着CG的增大而单调下降.在OECT栅电极上修饰适配体探针,并使之与不同浓度的三磷酸腺苷(10-12～10-5 mol/L)发生特异性结合反应,结果表明,IDS,l随三磷酸腺苷浓度即吸附电荷量的增大而减小.定性理论分析结果与实验测试结果一致.本研究提出的修正理论模型有望为OECT及基于OECT的生物传感器的设计提供理论支持.

作者刘燃 ^[1] 彭钰博 ^[2] 黄庆 ^[3] 杨兴 ^[4] 贾月梅 ^[1] 杜衍 ^[5] 冀健龙 ^[6] 学术成果认领

作者单位太原理工大学机械与运载工程学院,晋中 030600 ^[1] 太原理工大学生物医学工程学院,晋中 030600 ^[2] 陆军军医大学大坪医院检验科,重庆 400042 ^[3] 清华大学精密仪器与机械学系微机电系统实验室,北京 100084 ^[4] 中国科学院长春应用化学研究所,电分析化学国家重点实验室,长春 130022 ^[5] 太原理工大学信息与计算机学院,晋中 030600;清华大学集成电路学院,北京 100084 ^[6]

关键词有机电化学晶体管生物传感器电极极化吸附电荷

栏目名称 研究报告

DOI 10.19756/j.issn.0253-3820.221015

发布时间 2022-06-29

基金项目

国家自然科学基金 山西省自然科学基金 重庆市自然科学基金 中国博士后基金 吉林省科技发展计划项目