怎樣對固體粉末樣品進行快速直接檢測？

對有害化學物質的檢測在環境保護、食品安全、醫療衛生、工業生產以及國防軍事等方面都至關重要，而對光、溫度與壓力的靈敏感知在人工智能、人機界面、智能機器人、人工電子皮膚、可穿戴設備等前沿科研領域也極其重要?；趫鲂?a target="_blank">晶體管的傳感器兼具傳感與信號放大的功能，具有簡單便攜、高靈敏和高選擇性等優勢，并且部分有機半導體材料具有可以生物兼容和降解的潛力，因而有機晶體管傳感器在上述科研與應用領域大有用武之地。

同濟大學材料科學與工程學院黃佳教授在***“青年***”、上海市科委基礎處重點研發課題和***自然科學基金等項目的資助下，在有機晶體管傳感器以及綠色、生物安全柔性電子器件方面取得了一系列的重要進展。部分研究成果發表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)《先進材料》(Advanced Materials)《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)《ACS納米》(ACS nano)以及《先進科學》(Advance Science)等高水平的國際著名期刊。

課題組助理教授吳小晗博士近年來在***自然科學基金項目以及上海市科委人才項目“揚帆計劃”的資助下，發表SCI論文10余篇，部分成果以第一/共同通訊作者發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)（2篇）《先進科學》(Advance Science)（2篇）以及《材料化學雜志A》(Journal of Materials Chemistry A)等高水平期刊。

在有機晶體管化學傳感器的研究發展過程中，對氣體和液體的傳感探測先后被實現，但是對固體粉末樣品的快速直接檢測一直未能實現。而對固體粉末中的有害化學物質的檢測，例如對奶粉中的三聚氰胺的快速直接檢測，具有較大的科學意義和應用價值。黃佳課題組設計制備了新型的基于肩并肩有機二極管結構的傳感器（圖1），實現了對微量固體化學物質在粉末樣品的靈敏檢測，可以在接觸樣品后有效檢測到固體粉末中含有的遠低于我國食品安全標準的極低濃度的三聚氰胺。研究成果最近發表于化學領域國際頂級期刊《美國化學會志》[Journal of the American Chemical Society(2017) 139, 12366. 影響因子13.9]。

圖1. 新型的基于肩并肩二極管結構的傳感器的組成材料及器件示意圖

課題組還設計制備了微納孔有機場效應晶體管氣體傳感器，利用氣體分子與場效應晶體管導電溝道快速相互作用的機理，顯著提高了傳感器的靈敏度。對氨氣的響應靈敏度超過340% /ppm，能對濃度低于億分之一的氨氣表現出明顯響應，其檢測極限是論文發表時同類器件的最高記錄，成果發表于材料領域著名期刊《先進功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017)27, 1700018. 影響因子12.1]。此外該課題組還與環境學院李卓老師合作，實現了對飲用水中極低濃度的消毒副產物的有效監測，研究成果最近發表于《材料化學雜志A》[Journal of Materials Chemistry A. (2017) 5, 4842. 影響因子8.9]。

在光敏傳感器的研究領域，黃佳課題組利用無機鈣鈦礦量子點與有機半導體復合材料的性能互補優勢，成功制備了有機光敏晶體管（圖2），能同時展現超過10000A/W的光響應、大于1014Jone的光感極限、和優異的穩定性，實現了以往的研究中很難獲得的多參數協同高性能，研究成果剛被材料領域頂級期刊《先進材料》[Advanced Materials.(2017) Accepted, DOI: 10.1002/adma.201704062. 影響因子19.8]接收。

圖2. 基于無機鈣鈦礦量子點與有機半導體復合材料的光敏晶體管

課題組通過對半導體分子結構進行有機基團插層調控，以低成本的溶液法制備了具有響應波長可調的光敏傳感器，相關成果發表于《ACS應用材料與界面》[ACS Applied Materials & Interfaces. (2016) 8, 25660.影響因子7.5]。并應邀撰寫光敏傳感器領域的綜述，論文發表于材料領域著名期刊《先進科學》[Advanced Science. (2017) Accepted,DOI: 10.1002/advs.201700256. 影響因子9.0]。

介電層/半導體層界面電荷效應廣泛存在于有機場效應晶體管中，通常對器件的性能產生不利的影響。而黃佳教授課題組則利用這種常被認為是起負面作用的界面效應來提升器件靈敏度，制備了性能優異的具有溫敏傳感性能的人工電子皮膚，研究成果報道于《先進功能材料》[Advanced Functional Materials. (2015)25, 2138. 影響因子12.1]。之后課題組制備了基于界面效應的光敏傳感器，成果發表于《先進科學》 [Advance Science. (2016) 1500435. 影響因子9.0]。黃佳教授之前曾與馬里蘭大學合作，利用生物質材料與有機半導體結合，制備可降解的柔性電子器件，成果發表于《ACS納米》[ACS Nano. (2013) 7, 2106. 影響因子13.9]。最近黃佳課題組進一步使用生物安全、綠色可降解的聚乳酸與可溶性有機半導體的復合溶液通過噴墨打印的方式來制備器件，更大的界面面積使得這一打印的柔性器件具備更強的光敏性能，相關成果發表于《先進功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017) 27, 1604163. 影響因子12.1]。聚乳酸在賦予器件整體柔性與生物安全性的同時，放大了器件的層界面電荷效應，使得器件的傳感性能顯著增強，可應用于人工皮膚的溫度感知，人工智能的視覺感知等（圖3）。課題組也對這一界面電荷效應的機理做了深入系統的研究，提出了設計這一類型傳感器的方向與策略，相應成果剛剛被《先進科學》[Advance Science.(2017)Accepted, DOI: 10.1002/advs.201700442. 影響因子9.0]接收。課題組助理教授吳小晗博士為這部分溫敏光敏傳感器研究工作的第一作者或共同通訊作者。

這一系列的工作為有機晶體管傳感器的發展與優化提供了新策略和新思想，并拓寬了這類器件的應用范圍。

圖3. 基于介電層/半導體層界面效應的柔性溫敏光敏有機晶體管傳感器