《Adv. Mater.》魏大程团队研发超级电容型液固双态光电晶体管

      现代固态光电子学的光电转换往往发生在光敏半导体内部或其界面上，例如光伏效应、光电导效应以及光栅效应等转换机制均已被证实具有较高的光电转换效率，并应用于光电探测、成像以及通信等领域。然而，受限于固态材料有限的界面面积和界面电容，其仿生视觉和低光环境下的表现往往难与生命视觉系统相当。生命视觉系统如视杆细胞、视锥细胞等光感细胞可利用盘膜的大面积功能界面及超极化的离子动力学实现超高的光电转换效率，并产生超敏感的生物视觉功能，其单光子的最高电流可达1pA以上，展现出远超出人工光电器件的光敏性能。

图1. 液固双相光电器件与生命系统感光器的感光结构及光电转换机制对比

复旦大学魏大程团队长期致力于研究新型场效应晶体管材料、晶体管设计原理以及晶体管在光电、化学和生物传感等领域的应用。为突破固态光电材料的固有限制，该团队受生命视觉系统启发，研发了一种液固双态光电晶体管，模拟生命系统中感光器的感光机制，利用多孔框架材料与水的微孔双相界面上进行超级电容性的光栅调制，在室温下实现4.6 × 10¹⁰ A W⁻¹的响应率和1.62 × 10¹⁶ Jones的探测率，高于常规的固态光电传感器件。

图2. 液固双相的光响应性能

       这一超高的光电性能归功于COF_TP-Py/g-FET在水中的微孔界面，此界面具有比固态光电传感器高得多的界面电容，可存储大量的光生电荷存储，并通过光栅调制进一步放大了这一光控电流，从而实现暗场条件下的超灵敏光探测。因此，我们发现了一种光电响应增强机制，即超级电容型光栅调控。

图3. 超级电容性的光栅调制机制

       同时，这一液固双相光电器件在光致充电和放电过程可产生与生物视觉动力学相似的离子突触行为，魏大程团队用3×3双态COF_TP-Py/g- FET阵列制造了一个人工视网膜，该阵列在极低的光脉冲下仍可表现出高响应的突触行为，在暗位神经形态成像中可在低工作电压下获得极高的光电流，有利于构建低能耗、高对比度的仿生视觉系统。这一新型液固双相光电器件的结构、性能及其在仿生视觉中的应用潜力，有望为未来的光电技术发展提供新的思路及方向。

图4. 液固双相传感器的人工视觉阵列及成像表现

       相关工作以Supercapacitively Liquid-Solid Dual-State Optoelectronics为题发表于Advanced Materials（2024, 2406345）上。复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室为论文第一单位，复旦大学高分子科学系硕士生郭倩颖及博士后纪岱宗为共同第一作者；魏大程研究员为通讯作者，研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、复旦大学的支持。

论文网址：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406345?msockid=3677129620dc67f319eb00d121ba66c4