一种实现有机电化学晶体管超低接触电阻的通用方法

《Advanced Materials Interfaces》：A Universal Method for Achieving Ultra-Low Contact Resistances in Organic Electrochemical Transistors

有机电化学晶体管（OECTs）的接触电阻优化研究。通过体掺杂LiTFSI，显著降低p型（p(g2T-T)）和n型（p(gNDI-gT2)）聚电解质通道的接触电阻，宽度归一化接触电阻降至1Ω·cm，transconductance提升4倍，同时抑制水合作用并保持高长期稳定性。

　　有机电化学晶体管（OECTs）在有机生物电子学、神经形态系统和生物传感器等应用中受到广泛关注。为了实现OECTs的最优性能，除了考虑器件的几何结构外，还需优化通道材料的物理化学特性。本文研究了通过“体掺杂”方式改善通道材料的性能，并特别关注其对源（S）和漏（D）电极界面接触电阻（R_C）的影响。我们提出了一种易于实现的方法，能够显著降低OECTs的接触电阻。实验结果显示，通过引入LiTFSI，p型和n型PMIECs的接触电阻分别降低了约2倍和40倍，其中p(g2T-T)聚合物实现了前所未有的接触电阻值，低至1欧姆·厘米。此外，LiTFSI掺杂还带来了约4倍的跨导（g_{m, sat}）提升，为OECTs的性能优化提供了重要线索。

OECTs是一种三端器件，由位于两个电极之间的PMIEC薄膜通道组成，通道与液体、凝胶或固体电解质直接接触。第三电极（栅极G）则浸入电解质中，通过施加栅极电压（V_G），电解质中的离子会渗透到通道中，从而改变其电荷载流子状态，进而调控电流。跨导（g_{m, sat}）是OECTs的关键性能参数之一，它决定了由晶体管构成的放大器的增益。在饱和区域，跨导与栅极电压、阈值电压、体积电容（C*）以及载流子迁移率（μ）密切相关。通过提高或优化这些参数，可以显著提升OECTs的性能。此外，接触电阻（R_C）也是影响OECTs性能的重要因素，特别是在柔性电子器件中，其值越高，对器件性能的限制就越明显。

在本文中，我们研究了两种先进的PMIECs材料，p(g2T-T)和p(gNDI-gT2)，分别作为p型和n型通道材料。通过LiTFSI作为体掺杂剂，我们观察到其对接触电阻和器件性能的显著影响。特别是，LiTFSI的引入不仅降低了接触电阻，还提高了器件的稳定性。这表明，LiTFSI作为一种掺杂剂，能够有效改善OECTs的性能，而不影响其原有的结构特性。值得注意的是，掺杂后的p(g2T-T)材料保持了其体积电容特性，并表现出优异的长期稳定性。这为未来开发高性能的有机生物电子和神经形态器件提供了重要的技术基础。

LiTFSI作为一种有机盐，因其在提高离子导电性方面的性能而被广泛研究。在本研究中，我们发现LiTFSI在极低浓度下（即molar ratio r = Li⁺/OEG为0.005或0.002）能够显著降低接触电阻，而不会引起显著的水吸收和结构变化。这一发现与以往研究中对有机半导体的表面工程掺杂不同，因为它不仅改善了接触电阻，还对器件的整体性能产生了积极影响。我们提出，LiTFSI在通道中的掺杂可以通过在电极/通道材料界面形成局部的产物（如LiF），从而降低界面的能垒，提高器件的电荷传输效率。

在OECTs的性能评估中，我们发现，接触电阻与栅极电压密切相关。在低栅极电压下，接触电阻的变化较大，而在高栅极电压下，接触电阻趋于稳定或达到最优值。这一现象与Li⁺和TFSIˉ离子在通道中的分布和迁移有关。当LiTFSI掺杂浓度较低时，其在通道中的分布较为均匀，能够有效减少界面处的能垒，从而降低接触电阻。相比之下，高浓度掺杂会导致通道的形态和结构发生变化，进而影响器件的稳定性。因此，控制LiTFSI的掺杂浓度对于优化OECTs的性能至关重要。

在实验过程中，我们采用了转移长度法（TLM）来提取接触电阻。通过调整通道长度和宽度，我们发现，在极低掺杂条件下，接触电阻的降低趋势显著。这表明，LiTFSI的掺杂可以作为一种通用策略，用于优化OECTs的性能。同时，我们还观察到，LiTFSI的掺杂对不同类型的PMIEC材料均有效，无论是p型还是n型。这一发现为未来设计更复杂的有机电路提供了可能，特别是CMOS-like的OECTs电路。

此外，LiTFSI的掺杂对OECTs的水吸收行为也有显著影响。在低浓度掺杂情况下，水分子的吸收被有效抑制，从而避免了因水分子扩散引起的通道肿胀。这种抑制效应在n型PMIEC材料中尤为明显，因为其LUMO能级与金电极的功函数存在较大的差异。通过LiTFSI的掺杂，可以减小这种能级差异，从而提高器件的性能。这种现象不仅限于p型材料，也适用于n型材料，显示出其普遍性。

综上所述，LiTFSI的体掺杂为OECTs的性能优化提供了一种简单而有效的手段。通过调整掺杂浓度，可以显著改善接触电阻，提高跨导，并增强器件的长期稳定性。这种技术的可实施性使得其在实际应用中具有巨大潜力，尤其是在需要高稳定性和高性能的有机生物电子和神经形态器件中。未来的研究可以进一步探索不同类型的有机盐在OECTs中的应用，以期找到更广泛适用的优化策略。