對有害化學(xué)物質(zhì)的檢測在環(huán)境保護(hù)、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)以及國防軍事等方面都至關(guān)重要，而對光、溫度與壓力的靈敏感知在人工智能、人機(jī)界面、智能機(jī)器人、人工電子皮膚、可穿戴設(shè)備等前沿科研領(lǐng)域也極其重要。基于場效應(yīng)晶體管的傳感器兼具傳感與信號放大的功能，具有簡單便攜、高靈敏和高選擇性等優(yōu)勢，并且部分有機(jī)半導(dǎo)體材料具有可以生物兼容和降解的潛力，因而有機(jī)晶體管傳感器在上述科研與應(yīng)用領(lǐng)域大有用武之地。

同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃佳教授在***“青年***”、上海市科委基礎(chǔ)處重點(diǎn)研發(fā)課題和***自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，在有機(jī)晶體管傳感器以及綠色、生物安全柔性電子器件方面取得了一系列的重要進(jìn)展。部分研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)《ACS納米》(ACS nano)以及《先進(jìn)科學(xué)》(Advance Science)等高水平的國際著名期刊。

課題組助理教授吳小晗博士近年來在***自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及上海市科委人才項(xiàng)目“揚(yáng)帆計(jì)劃”的資助下，發(fā)表SCI論文10余篇，部分成果以第一/共同通訊作者發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)（2篇）《先進(jìn)科學(xué)》(Advance Science)（2篇）以及《材料化學(xué)雜志A》(Journal of Materials Chemistry A)等高水平期刊。

在有機(jī)晶體管化學(xué)傳感器的研究發(fā)展過程中，對氣體和液體的傳感探測先后被實(shí)現(xiàn)，但是對固體粉末樣品的快速直接檢測一直未能實(shí)現(xiàn)。而對固體粉末中的有害化學(xué)物質(zhì)的檢測，例如對奶粉中的三聚氰胺的快速直接檢測，具有較大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。黃佳課題組設(shè)計(jì)制備了新型的基于肩并肩有機(jī)二極管結(jié)構(gòu)的傳感器（圖1），實(shí)現(xiàn)了對微量固體化學(xué)物質(zhì)在粉末樣品的靈敏檢測，可以在接觸樣品后有效檢測到固體粉末中含有的遠(yuǎn)低于我國食品安全標(biāo)準(zhǔn)的極低濃度的三聚氰胺。研究成果最近發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《美國化學(xué)會(huì)志》[Journal of the American Chemical Society(2017) 139, 12366. 影響因子13.9]。

圖1. 新型的基于肩并肩二極管結(jié)構(gòu)的傳感器的組成材料及器件示意圖

課題組還設(shè)計(jì)制備了微納孔有機(jī)場效應(yīng)晶體管氣體傳感器，利用氣體分子與場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電溝道快速相互作用的機(jī)理，顯著提高了傳感器的靈敏度。對氨氣的響應(yīng)靈敏度超過340% /ppm，能對濃度低于億分之一的氨氣表現(xiàn)出明顯響應(yīng)，其檢測極限是論文發(fā)表時(shí)同類器件的最高記錄，成果發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017)27, 1700018. 影響因子12.1]。此外該課題組還與環(huán)境學(xué)院李卓老師合作，實(shí)現(xiàn)了對飲用水中極低濃度的消毒副產(chǎn)物的有效監(jiān)測，研究成果最近發(fā)表于《材料化學(xué)雜志A》[Journal of Materials Chemistry A. (2017) 5, 4842. 影響因子8.9]。

在光敏傳感器的研究領(lǐng)域，黃佳課題組利用無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)與有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合材料的性能互補(bǔ)優(yōu)勢，成功制備了有機(jī)光敏晶體管（圖2），能同時(shí)展現(xiàn)超過10000A/W的光響應(yīng)、大于1014Jone的光感極限、和優(yōu)異的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了以往的研究中很難獲得的多參數(shù)協(xié)同高性能，研究成果剛被材料領(lǐng)域頂級期刊《先進(jìn)材料》[Advanced Materials.(2017) Accepted, DOI: 10.1002/adma.201704062. 影響因子19.8]接收。

圖2. 基于無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)與有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合材料的光敏晶體管

課題組通過對半導(dǎo)體分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)基團(tuán)插層調(diào)控，以低成本的溶液法制備了具有響應(yīng)波長可調(diào)的光敏傳感器，相關(guān)成果發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料與界面》[ACS Applied Materials & Interfaces. (2016) 8, 25660.影響因子7.5]。并應(yīng)邀撰寫光敏傳感器領(lǐng)域的綜述，論文發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)科學(xué)》[Advanced Science. (2017) Accepted,DOI: 10.1002/advs.201700256. 影響因子9.0]。

介電層/半導(dǎo)體層界面電荷效應(yīng)廣泛存在于有機(jī)場效應(yīng)晶體管中，通常對器件的性能產(chǎn)生不利的影響。而黃佳教授課題組則利用這種常被認(rèn)為是起負(fù)面作用的界面效應(yīng)來提升器件靈敏度，制備了性能優(yōu)異的具有溫敏傳感性能的人工電子皮膚，研究成果報(bào)道于《先進(jìn)功能材料》[Advanced Functional Materials. (2015)25, 2138. 影響因子12.1]。之后課題組制備了基于界面效應(yīng)的光敏傳感器，成果發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》 [Advance Science. (2016) 1500435. 影響因子9.0]。黃佳教授之前曾與馬里蘭大學(xué)合作，利用生物質(zhì)材料與有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合，制備可降解的柔性電子器件，成果發(fā)表于《ACS納米》[ACS Nano. (2013) 7, 2106. 影響因子13.9]。最近黃佳課題組進(jìn)一步使用生物安全、綠色可降解的聚乳酸與可溶性有機(jī)半導(dǎo)體的復(fù)合溶液通過噴墨打印的方式來制備器件，更大的界面面積使得這一打印的柔性器件具備更強(qiáng)的光敏性能，相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017) 27, 1604163. 影響因子12.1]。聚乳酸在賦予器件整體柔性與生物安全性的同時(shí)，放大了器件的層界面電荷效應(yīng)，使得器件的傳感性能顯著增強(qiáng)，可應(yīng)用于人工皮膚的溫度感知，人工智能的視覺感知等（圖3）。課題組也對這一界面電荷效應(yīng)的機(jī)理做了深入系統(tǒng)的研究，提出了設(shè)計(jì)這一類型傳感器的方向與策略，相應(yīng)成果剛剛被《先進(jìn)科學(xué)》[Advance Science.(2017)Accepted, DOI: 10.1002/advs.201700442. 影響因子9.0]接收。課題組助理教授吳小晗博士為這部分溫敏光敏傳感器研究工作的第一作者或共同通訊作者。

這一系列的工作為有機(jī)晶體管傳感器的發(fā)展與優(yōu)化提供了新策略和新思想，并拓寬了這類器件的應(yīng)用范圍。

圖3. 基于介電層/半導(dǎo)體層界面效應(yīng)的柔性溫敏光敏有機(jī)晶體管傳感器