近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院平建峰、应义斌教授团队（IBE）联合电子科技大学、美国西北大学的合作者在美国国家科学院院刊（PNAS）上发表研究论文-Flexible Complementary Circuits Operating at Sub-0.5 Volt via Hybrid Organic-Inorganic Electrolyte Gated Transistors（图1）。该研究报道了一种基于电解质栅控晶体管的高性能柔性互补电路，该电路由p型有机电化学晶体管和n型电双层晶体管所组成，该电路可在极低驱动电压（0.7 V）下实现超高增益（>110），可实现电生理信号的有效放大。
图1. 本文在PNAS期刊上发表的相关信息
电解质栅控晶体管（electrolyte gated transistors, EGTs）得益于其低能耗、优异的柔韧性以及生物相容性，在下一代印刷电路、生物相容的集成传感器和神经形态器件等领域中有着巨大的应用前景。为了有效利用EGTs的信号放大优势，构建基于EGTs的各类逻辑电路，尤其是作为现代逻辑电路基本构成单元的反相器，具有重要的意义。迄今为止，基于EGTs的逻辑电路主要由单极反相器构成，如：由外接电阻与离子可渗透的半导体材料作为沟道的p型有机电化学晶体管（organic electrochemical transistors, OECTs）或者离子不可渗透的半导体材料作为沟道的n型电双层晶体管（electrical double layer transistors, EDLTs）共同构成。但单极反相器始终存在能耗高、电压增益小等问题，使其在实际应用时受到极大的局限。相比之下，互补型反相器则可有效改善以上问题，且具备低能耗、低电压（<1 V）驱动、高电压增益的互补型反相器在高性能生物电子器件应用方面有着巨大的优势。但鉴于目前材料性能的局限，很难实现单独由OECTs或EDLTs实现平衡的p型和n型器件电学性能输出，这为基于EGTs的互补电路的开发带来了一定的困难。针对上述问题，研究者创新性地提出将性能高度匹配的p型OECT（活性层为有机半导体聚合物DPP-g2T）和n型EDLT（活性层为铟镓锌无机金属氧化物IGZO）相结合，得力于n型EDLT晶体管性能的高度可调特性，优化制备出了一种基于复合EGTs的高性能柔性互补电路，该电路可在低电压（0.7 V）驱动下实现超高增益（>110）（图2）。
图2. 高性能柔性互补电路及其在电生理信号监测上的应用
在这项研究中，实现p型和n型器件电学性能的平衡至关重要，研究者将合成的有机半导体聚合物DPP-g2T制备成多孔的蜂窝网络状薄膜，作为p型OECT的活性层。通过breath figure方法制备的多孔薄膜使得OECT的性能有了大幅的提升，可实现较小的信号迟滞（～0.05 V）、较大的开关电流比（Ion/Ioff = 105），开启电压约为−0.05 V。为了与OECT的性能相比配，研究者通过优化IGZO的原子比来调控各项电学性能，其中比例为In:Ga:Zn = 10:1:1的EDLT在0 V左右开启，开关电流比约为105，可与p型OECT实现平衡的电学性能输出。基于以上互补结构的设计，制备的电路可在0.7 V的驱动电压下获得高达113的电压增益，静态功耗仅为15 nW，满足了基于EGTs互补电路的低能耗、低电压驱动和高电压增益的需求。此外，研究人员分别在刚性和柔性基底上实现了NAND和NOR逻辑电路的制备，在低至0.2 V的驱动电压下获得准确的逻辑响应，并且在弯曲半径为1 mm时仍可维持稳定的输出。最后，该研究还探究了互补电路在生物探测上的应用，将其用于眼电图（EOG）的信号监测，记录眼球的上下左右运动；得益于该电路的信号放大优势，可将～1.5 mV的EOG信号放大到～30 mV，这对研发可穿戴生物传感器件和人机交互接口具有重要的学术价值。
该研究论文的第一完成单位是浙江大学，第一作者为浙江大学博士研究生姚瑶，通讯作者为平建峰研究员、电子科技大学黄伟研究员和以及美国西北大学Antonio Facchetti和Tobin J. Marks教授。平建峰是国家优秀青年基金获得者，浙江大学生物系统工程与食品科学学院应义斌教授团队（IBE）的核心成员。主要从事农业信息学领域的交叉研究工作，在植物生命信息微纳感知（Advanced Science 2021）、农业环境信息无源感知（Nano Energy 2021）、农业环境微能量获取技术（ACS Nano 2021;）等方面取得了一系列研究成果。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2111790118