Nano Res.[催化]│苏州大学迟力峰课题组：3D打印氧化石墨烯栅电极构建高性能有机电化学晶体管

背景介绍

将生物界面与电子器件结合的生物传感器随着近年的发展不断受到关注。有机电化学晶体管(OECTs)因为低电压、高跨导、水溶液稳定性特点在生物传感器、电生理信号记录和神经形态系统等生物电子领域具有广阔的应用前景。到目前为止，大部分的研究工作都集中在研究可以作为混合离子掺杂和电荷传输层的高性能材料上。然而，对于栅极材料的关注相对较少，栅极材料在控制工作电压、氧化还原过程和稳定性方面起着至关重要的作用，尤其是在以积累模式工作的半导体OECTs的背景下。此外，现代生物电子器件对平面性和灵活性的需求也对电极提出了重大挑战。高效，简便地制备具有应用价值的有机电化学晶体管器件势在必行。

研究方法

利用基于挤压的3D打印技术可制造具有独立棒状结构氧化石墨烯电极。为了测试打印电极性能，将打印栅电极用于顶栅OECTs结构中，和基于Ag/AgCl的器件比较跨导、快速开关和稳定性等电学性能。随后改变器件结构为平面，测试石墨烯电极有机电化学晶体管在心电记录上的应用，以验证打印电极在器件信噪比、灵敏度上的贡献。

成果简介

基于挤压的3D打印技术制备的氧化石墨烯电极具有结构设计多样、不需要模具、减少废料和成本效益的明显优势。所打印的氧化石墨烯/碳纳米管(rGO/CNTs)具有多孔结构，促进电子和离子的扩散和传递，最终有助于提高电导率和电化学性能。因此，制备的rGO/CNTs的3D打印电极在基于亲水性聚合物P(g2T-T)和疏水性聚合物聚P3HT的OECTs中均表现出优异的性能。在相同条件下，使用3D打印rGO/CNTs栅极的OECTs具有与传统Ag/AgCl电极相当的跨导性和更低的阈值电压。此外，由于栅极具有优异的柔韧性，易于制备平面栅极柔性OECTs，具有良好的稳定性和低噪声，在心电信号记录中具有广阔的应用前景,并使柔性OECTs的生产变得简单而高效。

图文导读

图1顶栅结构有机电化学晶体管结构示意图与3d打印碳纳米管电极的形貌表征

顶栅结构的OECTs分别使用亲水性质的P(g2T-T)和疏水性质的P3HT作为沟道材料，以体现3D打印碳纳米管电极对不同聚合物的适应性。从SEM图像观察，rGO/CNTs为一个三维多孔结构，在rGO片状层中填充着纳米孔结构的絮状CNTs。该结构提供了机械稳定性，且有利于离子/电荷传输。

图2 Ag/AgCl门控OECTs与3D打印rGO/CNTs门控OECTs的电学性能比较

与Ag/AgCl作为栅电极进行性能比较，3D打印rGO/CNTs电极展现出相当甚至超越的跨导数值和更低的阈值电压，并可以实现快速开关和长期稳定性。

图3平面栅电极结构用于记录人体心电信号

基于3D打印的平面栅电极构筑的OECTs用于记录人体心电信号检测，利用电化学晶体管将电压信息转换为电流输出，从人体表面采集的心电信号其频率和波形与典型心电信号(每0.5~1 s跳动一次)高度一致，证明了其对人体生理信号监测具有较高地信噪比和灵敏度。3D打印rGO/CNTs栅控OECTs在生物电子学领域具有可行性。

课题组简介

http://www.lfchi-group.com/。

文章信息

Jiang X, Liang Z, Wu M, et al. High-performance organic electrochemical transistors gated with 3D-printed graphene oxide electrodes. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6067-2.