触觉感知电子学将以电荷传输为主的有机光电器件与以离子信号为主的生物体桥接起来, 被认为是新一代人工智能系统构建的重要研究领域. 有机晶体管通过电场诱导或电化学离子掺杂调控半导体的导电能力, 显示出独特的光电特性. 基于其本征柔性、可溶液加工性和生物相容性等特点, 有机晶体管被认为是发展柔性智能感知器件的良好载体. 过去10年, 随着功能材料设计合成和器件结构开发, 基于有机晶体管的生物物理信号传感和突触感知研究受到广泛关注并取得快速发展. 本文从具有物理信号转化、信号传递与处理功能的有机晶体管器件结构设计、工作原理和制备技术等方面, 概述了触觉感知功能的有机晶体管研究进展, 重点介绍了温度/压力感知功能有机晶体管的发展与应用现状, 最后总结了新一代触觉感知有机晶体管的研究策略并展望了面临的挑战与机遇.
在快速发展的人工智能技术推动下, 能够模仿甚至超越人类感知能力的智能电子设备研究越来越受到人们的关注. 目前以人类感知功能为导向的电子器件研究趋势主要有两类: 一类是用于生物物质或生理信号传感检测的传感器; 另一类是以仿生突触为主的仿生电子器件, 并形成了多样化的神经形态元件, 用于信号的分析与学习. 触觉感知体现了人体与外部世界直接接触时信息交互的能力, 主要通过皮肤上多种类型的触觉感受器识别物体的表面特征、形状和空间特征、质地材料属性以及温度等性质, 并将信息转换为神经信号传递给中枢神经系统, 以帮助人类感知周围环境, 避免潜在的伤害. 近年来, 利用电子电路设计与开发重塑生命体的传感、处理与反馈等触觉感知功能, 并衍生出具有“传感-分析处理”功能的新一代触觉感知材料与器件, 成为重要的交叉前沿方向.
有机晶体管由有机半导体、栅电极、源漏电极和绝缘层组成. 有机半导体具有本征柔性、质轻和可溶液加工等优点, 为可穿戴、可贴附的智能电子器件构建提供了良好的材料基础. 值得注意的是, 有机半导体分子与生命体的分子结构和力学性质相似, 且具有分子结构易剪裁等特点, 在高生物相容性的仿生电子学研究中具有独特优势. 基于该类材料构建的有机场效应晶体管(OFET), 可以通过电场调控导电沟道内的载流子浓度实现电子开关功能, 是构建逻辑与驱动电路的基础. 随着绝缘层材料的开发与器件工作物理机制认识的深入, 以液相和固相电解质为绝缘层的电解质绝缘层晶体管(EGOFET)和有机电化学晶体管(OECT)取得了快速发展. 前者利用栅压在绝缘层内诱导形成双电层可以获得更高的电容, 进而提高诱导的载流子浓度, 使得器件具有高的导电性调控能力; 后者通过栅压作用下自由移动的离子注入/注出半导体层调控有机半导体发生可逆的电化学掺杂/去掺杂, 获得离子诱导的载流子浓度调控和电荷传输特性. 在生物体系中, 通过离子通道的开关以及离子浓度的可控调节, 实现触觉感知过程的生理电信号转换、传递以及处理. 有机晶体管具有与生命体中触觉感知相似的关键过程, 使其成为构建仿生电子器件的重要载体, 在健康监测、仿生电子皮肤和人工假肢等领域展现了重要的发展潜力.
近年来, 具有触觉感知功能的有机晶体管研究受到广泛关注, 并基于此发展了多种兼具优异电荷传输和对单一/复杂的温度和压力信号高灵敏度响应的传感器. 结合界面工程技术和器件构建策略的提出, 基于有机晶体管仿生功能的单元器件研究得到了快速发展, 为新型触觉感知系统的构建奠定了基础, 向截肢者或皮肤受损的人重新拥有触觉感知等应用探索迈出了重要一步. 本文以有机晶体管的触觉感知功能化为导向, 结合器件设计原理与功能响应机制的深化认识, 概述了有机晶体管触觉传感器、突触器件以及感-知一体化器件的最新研究进展, 并进一步从有机晶体管的性能优化、多模态识别及集成等方面总结了触觉感知创建策略及应用领域.最后对该领域的现有问题及未来发展做出了分析与展望.
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张学锋, 姜紫灵, 项兰义, 颜超义, 肖余, 张凤娇. 具有触觉感知功能的有机晶体管研究进展. 中国科学:化学, 2024, DOI:10.1360/SSC-2024-0032
