pH敏感有机电化学晶体管I-V特性及其电压依赖性

摘要

pH敏感的有机电化学晶体管有望广泛用于可穿戴电子设备进行生理指标原位监测.然而,pH敏感的有机电化学晶体管电流-电压(I-V)特性关系尚不明确,这严重制约其设计、优化与应用等方面的发展.本文联合电化学平衡方程与栅极/电解液、半导体沟道/电解液界面微分电容串联物理模型构建了pH敏感的有机电化学晶体管I-V特性方程.进一步,以聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐为半导体层材料,以pH敏感聚合物(聚3,4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝)修饰晶体管栅极,构建pH敏感的有机电化学晶体管.测试晶体管输出、转移及pH响应特征,验证I-V特性方程的有效性.实验结果表明,该有机电化学晶体管的pH检测灵敏度为0.22 mA·pH·unit^(–1),并且晶体管pH响应具有栅极电压依赖特性.引入栅极电压多项式进一步修正晶体管I-V特性方程.理论模型对转移曲线实验结果的拟合优度达到0.998.峰值跨导对应栅极电压位置、pH灵敏度响应栅极电压的实验及理论预测结果比较亦可表明修正理论模型的有效性.研究结果可为基于pH敏感有机电化学晶体管的柔性生物传感器设计与制造提供理论支撑.