溶液法加工双栅低电压离子敏感有机场效应晶体管及其传感性能的研究

Bio- and chemical sensors based on the ion-sensitive organic field effect transistor (OFET) are very promising for a wide range of applications in medical and health care, food safety and environmental monitoring. However, two key challenges need to be addressed for the ion sensitive OFET towards practical sensor applications. Firstly, to fully utilize the technology strength of OFETs, and enable the device to be integrated into a low voltage and low power electronic system, low voltage OFETs need to be developed based on all solution or printing processes. Secondly, the sensitivity is required to be further improved through device structure design to overcome the sensitivity limitation of single-gate OFETs. This project will investigate the design and processes for a newly proposed low voltage dual-gate OFET structure, which incorporates the two different approaches achieved by the applicant for low voltage OFETs. With this dual-gate OFET structure, a very high ratio of the top gate dielectric capacitance over that of the bottom gate can be achieved while both gate electrodes are operated with low voltages, which are important for developing low voltage and high sensitivity ion-sensitive OFET sensors. This project will further develop the optimization theory and the technology solution based on the device towards realizing practical sensing systems.

基于离子敏感有机场效应晶体管(organic field effect transistor, OFET)的生物/化学传感器在医疗健康、食品安全、环境监控等重要民生领域具有广泛的应用前景。离子敏感OFET器件的传感应用的研究需要解决两个关键问题：1) 如何基于全溶液法/印刷工艺制备低电压离子敏感OFET器件，以充分发挥其技术优势，并能与低电压/低功耗电子系统集成; 2) 如何通过器件结构设计突破单栅结构的检测灵敏度的极限，实现高灵敏的传感系统。该项目拟结合申请人前期研究的两种不同的实现低电压OFET的方法，研究通过溶液法/印刷工艺构筑具有超高顶栅/底栅绝缘层电容比值的双栅OFET结构，在实现双栅低电压工作的情况下，获得超高的顶栅/底栅绝缘层电容比值，以发展低电压、高灵敏度的离子敏感OFET传感器件，并进一步建立起以此器件为基础构建传感应用的优化设计理论和系统集成方案。

基于离子敏感有机场效应晶体管(organic field effect transistor, OFET)的生物/化学传感器在医疗健康、食品安全、环境监控等重要民生领域具有广泛的应用前景。离子敏感OFET器件的传感应用的研究需要解决两个关键问题：1) 如何基于全溶液法/印刷工艺制备低电压离子敏感OFET器件，以充分发挥其技术优势，并能与低电压/低功耗电子系统集成; 2) 如何通过器件结构设计突破单栅结构的检测灵敏度的极限，实现高灵敏的传感系统。该项目提出了非对称双栅结构的OFET器件设计，将实现低电压OFET的两种方法，包括降低沟道层带隙态密度和采用高k/低k栅绝缘层，分别应用于双栅器件的底栅和顶栅结构中，以溶液法/印刷工艺加工实现的双栅OFET器件在低电压工作的同时能够获得很高的顶栅/底栅绝缘层电容耦合比（>29），从而实现突破单栅器件理论极限的跨导效率（约161.5 V^-1）。将该器件用于pH检测获得了超过600 mV·pH^-1的灵敏度。通过相关研究建立了基于溶液印刷的制备工艺，器件优化设计的理论、关键材料体系以及传感信号的读出系统技术，为发展高灵敏、低功耗OFET生物传感芯片与系统打下基础。在主流国际期刊上发表论文14篇，在电子器件领域的顶级会议IEDM上发表论文1篇；申请发明专利5项，其中2项获得授权；培养博士研究生4人，硕士研究生5人（1人将于2021年6月毕业）。