中科院福建物构所王瑞虎和徐刚Adv. Mater.：基于柔性多孔有机聚合物膜的质子场效应晶体管

【引言】身处于信息时代的今天，我们所用的各种电子产品，从手机到电子计算机都是通过电子来传输信号和信息，对于人及其他生物体系来说，却是借助离子或质子来传递信号并执行信息任务。质子传导在生物体系中普遍存在，例如线粒体中的氧化磷酸化，细菌视紫红质中的质子泵效应以及葛兰素的解偶联膜电位都与质子传输有关。研制能够直接监测和调控质子传输的器件对于生物过程监控、仿生模拟和人机界面构建等具有重要意义。质子场效应晶体管（质子-FET）由于能直接监测质子电流并通过调控栅压对质子电流进行有效调控，已成为学术界研究热点。然而相比于电子-FET，目前只有少数几种材料成功应用于质子-FET。探索新型质子传导材料并用于质子-FET器件是生物信息领域亟需要解决的问题。

【成果简介】

中科院福建物构所王瑞虎课题组和徐刚课题组首次报道了基于柔性多孔有机聚合物膜（POPM）的质子-FET。通过1,3,5-三（4-氨基苯基）苯和对苯二硫脲的缩合反应制备了一类POPM，其丰富的网络结构和广泛存在的氢键能够有效的“锁住” H₃PO₄分子，在常温（25℃）高湿（98% RH）下其质子电导率可达2.8×10^-3 S cm^-1。进一步通过器件制作工艺，成功研制出基于POPM的质子-FET器件。器件电学测试表明POPM的质子迁移率高达5.7×10^-3 cm² V^-1·s^-1, 通过增加栅压可以将POPM质子浓度从4.3×10¹⁷cm^-3调节为14.1×10¹⁷ cm^-3。研究结果表明POPM作为质子-FET的通道材料具有优异的器件性能，为生物信息材料的研究开拓了新思路。该成果以题为“Flexible Porous Organic Polymer Membranes for Protonic Field-Effect Transistors”发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1. POPM制备与表征

a）POPM制备示意图

b）TAPB，DSAB和POPM的FTIR光谱

c）不同温度范围内POPM的TGA曲线

d,e）POPM-干凝胶的固态¹³C NMR核磁共振谱和N₂吸附等温线

图2. 形貌表征

a）POPM桥接两个电极的器件光学图像

b）POPM的表面AFM图像

c,d）POPM的表面和横截面SEM图像

e）POPM的HAADF-STEM和EDX映射图像

图3. POPM质子导电性能表征

a）POPM在25^oC下不同RH的Nyquist图

b）不同RH下POPM的质子电导率

c）POPM在98％RH下不同温度的Nyquist图

d）98％RH下POPM随温度变化的质子电导率

图4. 基于POPM的FET表征

a）基于POPM的质子FET的示意图及其工作机制

b）不能气氛条件下POPM的I-V曲线

c）5％ H₂气氛中不同RH的POPM的IV曲线

d）不同栅压下POPM的I-V曲线

e）不同栅压下POPM的质子电流

【总结】

通过设计合成柔性高质子导电POPM，成功研制出基于POPM的质子-FET器件，并表现出优异的质子迁移率和强的质子电流调控力。相比于之前报道的质子-FET器件通道材料，POPM模块化合成方式和结构易修饰性为后续导电膜材料及质子-FET器件的性能调控提供了丰富的选择。同时，质子-FET器件的研制极大开拓了POPM应用范围，使POPM有望在生物传感、仿生模拟和人机界面构建等方面实现广泛应用。

该论文第一作者钟鸿助理研究员和吴国栋博士。王瑞虎研究员和徐刚研究员为通讯作者，中科院福建物构所为论文唯一单位。

文献链接：Flexible Porous Organic Polymer Membranes for Protonic Field-Effect Transistors. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000730.

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