有機電化學晶體管（OECT）因具備低驅動電壓（＜1 V）、高跨導和優異生物相容性，在生物信號放大、神經形態計算及柔性傳感等領域展現出巨大應用潛力。OECT的工作原理依賴于離子與電子的高效耦合，因此其核心在于開發兼具電子傳輸與離子傳導能力的有機混合離子-電子導體（OMIEC）。近年來，以共軛高分子為基礎的OMIEC材料推動了OECT技術的快速發展。尤其是p-型OMIEC的研究屢有突破，其關鍵器件性能指標μC*已突破500 F cm-1 V-1 s-1。相比之下，n-型OMIEC的μC*普遍低于200 F cm-1 V-1 s-1，成為制約低功耗互補電路和集成生物電子系統發展的關鍵瓶頸。
南方科技大學馮奎團隊圍繞n-型OMIEC的設計合成與OECT應用，持續取得重要研究進展。該團隊基于雙噻吩酰亞胺（BTI）開發的高性能n-型材料，多次實現突破性成果，相關研究在國際知名期刊發表（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24198；Adv. Mater. 2022, 34, 2201340；Adv. Mater. 2024, 36, 2305416；Adv. Mater. 2024, 36, 2310503；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202513182；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423013）。在前期成果基礎上，該團隊進一步系統探究了受體共軛長度對OMIEC性能的調控規律，設計并合成了基于BTIn的PBTI1g-DTCN、PBTI2g-DTCN和PBTI3g-DTCN三種高分子材料（圖1），以揭示分子骨架維度對器件性能的影響機制。
2025年10月4日，該工作以“Backbone Tailoring Enables High-Performance and Stable n-Type Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors for Synaptic Simulation and Biosensor”為題發表在Advanced Materials上。文章的第一作者是南方科技大學博士研究生楊萬里和博士后馬蘇翔，通訊作者為南方科技大學副研究員馮奎。
圖1. 高分子的分子結構、摻雜吸收和二維廣角X射線衍射示意圖。
研究結果顯示，隨著BTIn受體共軛長度的增加，高分子LUMO能級逐漸降低、電子親和力增強，有利于n-型摻雜與電子傳輸。有趣的是，基于中等尺寸BTI2的PBTI2g-DTCN展現出最佳的結晶性和最緊密的π–π堆積。因此，在OECT中，其實現了0.84 cm2 V-1 s-1的高電子遷移率和287.8 F cm-1 V-1 s-1的μC*值，創下n-型積累型OECT材料的新紀錄。
圖2.平面型OECT器件結構及其器件性能參數示意圖。
基于該高性能材料，此團隊進一步開發了兼具非易失性與易失性雙模操作能力的垂直結構OECT（vOECT）器件（圖3）。通過調控PBTI2g-DTCN與光固化高分子Cin-Cell的共混比例（8:3），器件實現了71.8 μS μm-2的面積歸一化跨導和極低漏電流（<0.1%通道電流），性能顯著優于對應p-型器件，展現出構建高性能、低功耗互補邏輯電路的潛力。更重要的是，器件在空氣中儲存2800小時后仍保持初始跨導的93.4%，表現出優異的長期穩定性。研究團隊還通過微調Cin-Cell比例，實現了從非易失到易失狀態的可控切換。結構表征結果表明，增加Cin-Cell含量可調節聚集相態，使PBTI2g-DTCN的結晶區域與非晶緩沖層協同作用，既確保電子傳輸通道，又有效緩解體積膨脹與離子遷移帶來的疲勞效應。
圖3. 垂直OECT器件結構、雙模式操作機制及微結構調控策略，實現易失性與非易失性狀態的可逆切換。
當PBTI2g-DTCN與Cin-Cell以10:1比例共混時，器件表現出非易失性突觸特性，可模擬短期和長期可塑性（圖4），模擬神經突觸的學習與記憶過程；而在8:3比例下，器件呈易失性狀態，具備高跨導和優異穩定性，適用于構建反相器電路，實現188 V V-1的電壓增益，并在連續工作2000秒后保持92%的穩定輸出。此外，該團隊在柔性PET基底上集成了平面與垂直OECT結構，并通過PDMS封裝實現可穿戴生物檢測。結果顯示，垂直OECT在肌電信號檢測中具有更高的信號保真度。進一步，該團隊成功在柔性基底上單片集成9×9反相器陣列（81個單元），其平均跨導為71.7 μS μm-2，平均增益達143.2 V V-1，展示出在大規模柔性電子與智能系統中的應用潛力。
圖4. 垂直OECT的人工突觸的多種突觸可塑性行為和柔性生物傳感器與放大器系統應用。
綜上，該研究通過系統揭示BTIn受體共軛長度對OMIEC性能的調控機制，成功構筑出高性能n-型材料PBTI2g-DTCN，并實現器件在易失與非易失模式間的靈活切換，展現出“一材多用”的獨特優勢。該成果不僅為人工突觸與生物傳感器件提供了新型材料解決方案，也為集感知、計算與記憶于一體的智能電子系統發展奠定了重要基礎。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202512070
通訊作者簡介：
馮奎，南方科技大學副研究員。2018年博士畢業于四川大學，2019年-2020年先后在南方科技大學（與武漢大學聯培）、香港科技大學從事博士后研究工作。2021年加入南方科技大學材料科學與工程系郭旭崗教授團隊，主要研究方向為n-型高分子半導體材料與器件，目前以第一作者或通訊作者在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.（6篇）、Adv. Mater.（6篇）、Acc. Chem. Res.等期刊上發表SCI論文40余篇，主持國自然/省市科研項目合計7項。
