肩并肩有机二极管结构传感器实现微量固体化学物质的灵敏检测

对各类有害化学物质的检测在环境控制、食品安全、医疗卫生、工业生产以及国防军事等很多领域中都具有重要的意义。基于有机晶体管的传感器具有低成本、易制备、器件微型化、便携、高灵敏度和高选择性以及柔性等一系列特点和优势，因而在上述领域具有较大的应用潜力。有机晶体管的化学传感器对气态和液态化学物质的检测已具有较多的研究，然而对固体粉末样品的直接、快速检测一直是此类传感器研究领域的难题。基于传统场效应，晶体管传感器的载流子在场电压的作用下累积于半导体层，在靠近介电层界面的几个分子层的厚度内形成导电沟道。使用该传感器探测化学分析物时，分析物分子需要首先在有机半导体薄膜内长距离地扩散才能接触导电沟道内的半导体分子，然后起到改变器件输出信号的作用。气态和液态的化学物质相对容易扩散，而固体化学物质难以快速地扩散到导电沟道中。基于此，同济大学黄佳教授（点击查看介绍）课题组对传统有机晶体管的结构进行衍生化，设计制备了新型的基于肩并肩有机二极管结构的传感器，实现了对微量固体化学物质在粉末样品状态下的灵敏检测。使用该传感器，他们可以实现对亿分之一浓度三聚氰胺粉末样品的监测，与此同时还具有一定的分析物选择性。

不同于场效应晶体管，这种肩并肩的二极管结构能使固体粉末分析物置于传感器上时，分析物与有机半导体薄膜表面的相互作用能显著影响载流子的浓度与传输速度，从而改变传感器的输出信号。使用这种肩并肩二极管传感器来检测粉末样品中含有的微量三聚氰胺时，器件对1 ppm的三聚氰胺样品表现出超过40%的输出电流降幅，以此估算的传感器对三聚氰胺的检测浓度下限能达到ppm以下量级。研究还发现，有机半导体材料本身的分子结构和侧链结构对该传感器的性能具有显著的影响，传感器对不同固体粉末样品的检测信号也表现出明显的不同，因此具有一定的传感选择性。该工作首次实现了对固体粉末分析物的直接快速检测，而且这一器件的设计策略具有广泛的适用性，可由此开发出针对多种固体粉末分析物的低成本便携式微型传感器。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的通讯作者为同济大学材料科学与工程学院的黄佳教授。

该论文作者为：Jia Huang, Guoqian Zhang, Xingang Zhao, Xiaohan Wu, Dapeng Liu, Yingli Chu and Howard E. Katz

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct Detection of Dilute Solid Chemicals with Responsive Lateral Organic Diodes

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12366, DOI: 10.1021/jacs.7b06223

导师介绍

黄佳

http://www.x-mol.com/university/faculty/17083