具有高跨导和快速响应的超灵活电化学晶体管——二维MOFs新应用
研究背景
电解液门控晶体管(EGT)已被视为许多应用的基本构件，包括可穿戴/植入式电子器件、神经形态器件和低压电路。作为薄膜晶体管的一个子类，EGT 具有与传统的场效应晶体管(FET) 类似的器件结构，而FET中的固态栅极电介质层被连接EGT的通道和栅极的电解质(液体、凝胶和固体)所取代。因此，在电解质中工作的EGT，特别是水溶液，对生物电子应用具有内在的优势。跨导(gm=бIDS/бVGS) 是晶体管将施加在其栅极(VGS)上的电压信号转换成通道电流响应(IDS) 的一个关键参数。EGT通常表现出较高的跨导，因此可以在各种传感应用中作为放大器使用，如化学传感器和生物传感器。晶体管的跨导率与μC的乘积成正比，其中μ是通道中的载流子迁移率， C是门电容。EGT已经在各种材料的基础上实现，如石墨烯，过渡金属二氯化物，非晶金属氧化物和有机半导体。迄今为止，被称为有机电化学晶体管(OECTs)的电解质门控有机晶体管由于其高门电容而显示出最高的跨导率。为了进一步提高EGT的器件性能，需要在电解质中同时具有高载流子移动性和大电容的材料。
研究成果
电化学晶体管(ECTs) 由于其高跨导、低工作电压和多功能的器件设计，在生物电子学和神经形态器件中显示出广泛的应用。为了进一步提高器件的性能，需要在电解质中具有高载流子移动性和大电容的半导体材料。在此，香港理工大学Feng Yan教授团队展示了基于高度定向的二维共轭金属有机框架(二维c-MOFs)的ECTS。在二维c-MOFs薄膜内形成的离子导电的垂直纳米孔导致了最方便的离子转移和高容积电容，赋予了器件快速的速度和超高的跨导性。超灵活的器件阵列成功地用于可穿戴的沿不同方向的心电图(ECG) 信号的记录，可以提供与多导联心电图测量系统相媲美的各种波形，用于监测心脏状况。这些结果表明，二维c-MOFs是用于高性能ECT的优秀半导体材料，在柔性和可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。相关研究以“2D metal-organic frameworks for ultraflexible electrochemical transistors with high transconductance and fast response speeds”为题发表在Science Advances期刊上。
图文导读
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.
总结与展望
作者发现，二维c-MOF Cu3(HHTP)2是一种理想的ECT通道材料，因为它具有多孔的晶体结构和高载流子迁移率。在高度定向的Cu3(HHTP)2方便的液相沉积的基础上，大规模的MOFECT阵列已经实现了高产量和均匀的迁移率分布。MOFECTs表现出平衡的双极行为，其中Cu3(HHTP)2通道的体积电导率可以通过电解质中的阳离子或阴离子掺入而得到明显调节。高度定向的Cu3(HHTP)2薄膜为整个薄膜提供了垂直的离子通道，导致了高容积电容、方便的离子传输和快速的器件响应速度。与基于聚合物的ECTs不同的是，聚合物在水性电解质中的溶胀需要得到明智的控制，以平衡有效的大量离子掺杂和稳定的操作，而MOFECTs由于Cu3(HHTP)2薄膜的高结晶度而显示出可忽略的溶胀，为器件提供了良好的操作稳定性。MOFECTs 已经成功地部署在超薄柔性电路中，包括双极性逆变器和互补逆变器，在0.4 V的低工作电压下表现出高达15 V V-1的电压增益和快速开关(1.27 kHz)。受益于高跨导和方便的大面积制造，超灵活的MOFECT阵列已经被制造出来，并被用于沿不同方向的心电图信号的皮肤映射。这项工作证明了MOFECTs在大面积和柔性电子方面的巨大潜力。
文献链接
2D metal-organic frameworks for ultraflexible electrochemical transistors with high transconductance and fast response speeds
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