构建功能化场效应晶体管的电子器件在科学研究与实际应用等领域均有重要意义。郭雪峰课题组近期在功能化场效应晶体管光开关器件研究方面取得新进展(Coord. Chem. Rev. 2010, 254, 1101-1116)。

碳纳米管具有一维结构的特性和超高的表面活性，可以将外界刺激转化为易于检测的电信号，因此构建功能化单壁碳纳米管场效应晶体管器件一直受到关注。与徐东升教授和刘忠范教授合作，他们通过自组装手段利用光学活性的TiO2量子点构建了快速可逆的单壁碳纳米管开关器件（图1）（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 4759-4762）。在光照条件下，TiO2发生电荷分离，一方面可以猝灭p型空穴载流子，另一方面可以增加n型电子载流子，因而在同一个器件上实现了镜像的光开关效应，体现了自然界的和谐性。这是首次报道相关现象的研究，并受到英国皇家学会杂志（Chemistry World）的Highlight。这些实验结果也为设计模拟生物过程中信号转化的功能化器件提供了新的思路。

图1. TiO2纳米粒子功能化器件工作原理图

与齐利民教授合作，他们又制备了ZnO纳米粒子修饰的单壁碳纳米管晶体管器件，实现了可调制的高响应度的光检测性能（Small 2009, 5, 2371-2376）。利用光诱导产生的氧气分子在纳米粒子表面的吸附和脱附过程引起的电荷转换效应，器件显示出可逆的显著光开关效应。器件的超高光响应度来源于碳管的表面超高灵敏度、ZnO纳米粒子的零维结构以及它们较大的比表面积等因素的协同效应。

以有机薄膜场效应晶体管作为研究对象，也可以构建多功能的光开关器件。他们首先发展了一种通过PDMS印章技术构建光致变色螺吡喃分子功能化的有机薄膜场效应晶体管器件的方法（J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10807-10812）。这种无损的方法能够实现器件可逆、可重复以及稳定的光开关性能。在此基础上，与刘忠范教授和清华大学帅志刚教授合作，将光致变色分子螺吡喃巧妙地引入到晶体管器件的一个关键部件—介电层中（图2），从而显著提高器件的可逆性和稳定性。介电层中的螺吡喃分子在UV和可见光刺激下发生光异构化的同时伴随其偶极矩的显著变化，进而引发绝缘层电容和半导体迁移率显著可逆的改变。此类现象不仅在刚性和柔性基底上得到实现，而且用p型和n型半导体材料均观察到相同现象。由此他们首次提出了一种光作用的新机制：构象电感耦合效应（Adv. Mater. 2010, 22, 3282-3287）。这种机制可以将分子构象变化的微小信息放大为可检测的电信号，成为研究分子构象动力学的新手段，也是构建对化学和环境具有高响应度的功能化有机薄膜场效应晶体管的普适性方法。在另一方面，他们还抓住有机薄膜场效应晶体管器件中半导体和介电层界面处的电荷动力学关键过程，利用TiO2的光学活性，设计并首次实现了在同一个双极性有机薄膜场效应晶体管器件上的镜像光开关效应（J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 1269-1276）。这三部分研究，他们分别通过对有机薄膜场效应晶体管器件的各个关键部件（介电层、介电层与半导体层的界面和半导体上表面）的功能化修饰，均实现了可逆的光开关效应。这些研究为构建多功能、具有实际应用前景的有机薄膜场效应晶体管器件奠定了基础。

图2. 构象电感耦合效应的原理以及器件结构图

编辑：碧荷