1.背景介绍
有机混合离子电子导体(OMIECs)通过离子-电子耦合作用，实现对电信号的响应和放大，并兼具良好的生物相容性，这些特质使其在生物传感、人工突触领域极具应用前景。而新型高性能OMIECs材料的开发一直是一个重大挑战。当前，大多数具有代表性的有机半导体分子，如聚-3己基噻吩(P3HT)、聚四噻吩(PQT)等均展现出疏水性，这限制了它们在生理环境下实现高效的离子掺杂，因此不适合作为OMIECs材料。探索一种方法，使这些疏水半导体聚合物能够转化为高性能的OMIECs，将显著降低离子-电子耦合器件中新材料的研发成本。
2.文章简介
目前已经报道了各种策略来解决这一挑战，包括利用多孔半导体薄膜，离子交换凝胶和离子液体。然而，这些方法都会使制造过程更加复杂，并可能降低器件性能。2025年3月21日，四川大学化学学院冯良文团队, 电子科技大学自动化工程学院黄伟团队和云南大学化学科学与工程学院陈建华团队在SmartMat期刊上发表了题为“Separated Ionic-Electronic Conduction in Hydrophobic Conjugated Polymer/Hydrophilic Photocrosslinker Blends for Organic Electrochemical Transistors”的研究报道。该工作开发了一种以聚乙二醇为主链，双吖丙啶为光响应基团的新型光交联剂（DtFGDA），利用光交联剂实现高精度图案化的同时解决了OMIECs发展中的一个关键挑战：在一系列代表性的疏水共轭聚合物中构建良好的离子传输通道。基于原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)下观察到的明显的相分离现象，团队提出了一种与常见有机电化学晶体管不同的“离子-电子分相传导”工作机制，并根据光谱电化学和石英晶体微天平表征加以证明。
3.文章创新点
图1 利用亲水交联剂在疏水聚合物中构建离子通道
（1）亲水光交联剂构建离子通道：
与纯膜的疏水半导体聚合物相比，基于亲水性光交联剂交联后电化学晶体管(OECT)的各项性能都得到了显著提高。这些性能的提升是因为交联后，DtFGDA在膜内形成亲水性交联网络，通过掠入式X射线衍射(GIXRD)表征发现亲水性交联剂的引入削弱了聚合物的结晶区域的强堆积作用，促使离子能更快地渗透进薄膜内部。
图3 基于疏水聚合物的垂直OECT结构和晶体管性能。
（2）普适性与高效性：
这种策略无需复杂的器件制作步骤和额外的器件结构，仅需将亲水交联剂与疏水聚合物混合、旋涂、曝光，就能同步实现图案化和构建离子通道。并且这种方法具有很好的普适性，四种常见的疏水聚合物(P3HT, PQT, PBTTT, DPPDTT)在与亲水交联剂混合交联后都能表现出良好OMIECs材料性质。其中基于PBTTT交联薄膜的OECT峰值跨导能达到230.9 mS，是目前在OECT中以疏水半导体聚合物为沟道层的最高值，并与目前发展的OMIECs性能相当。
图3 交联薄膜的 TEM 形貌，EDS图像和交联薄膜的工作原理示意图。
（3）分相传导机制：
作者在光谱电化学中发现，交联后的疏水聚合物在偏压下并未发生电化学掺杂和产生极化，而电化学石英晶体微天平中表明混合膜中的离子能够进行正常的掺杂/去掺杂。结合TEM测试中发现的明显相分离现象，推测在交联膜内，离子主要渗透进入亲水交联剂相，而电子则在疏水聚合物相中传输。作者将这种机制定义为离子-电子分相传导。通过亲水性光交联剂和疏水性半导体聚合物的相分离，可以通道中构建了双通道，并且每种通道都有其特定的功能。
4.总结
基于该团队之前利用交联剂提升OMIECs材料的离子电子协同传输(Angewandte Chemie International Edition 2024, 63, e202401773)，提升器件在生物体内外的稳定性的研究报道(Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12 , 15753-15761，Nano Energy, 2024, 129, 110062)，本工作进一步利用亲水性光交联剂已经成功地在实现疏水聚合物精确图案化的同时构建离子传输通道。这种离子-电子的分相传输将允许对薄膜的电荷传输和离子传输特性进行独立调节。该工作为OMIECs材料的开发提出了一种新的思路，有望将相对易制备，廉价的疏水性半导体引入离子-电子耦合器件中。