隨著電子技術的進步，人們的物質生活和精神生活都得到了極大的豐富。然而，由于電子產品更新換代的速度加快，電子垃圾增加的速度不容小覷，這將對生態環境和人類健康產生不利的影響。面對這一棘手的問題，瞬態電子器件為消除環境中日益嚴重的“電子污染"問題提供了一種清潔無污染的途徑。因此，被認為是構筑可持續未來所需的下一代電子器件的候選者。在這類器件中，由于可降解有機薄膜晶體管(OTFTs)在顯示驅動器、智能卡和射頻識別標簽等方面的潛在應用，已經引起了廣泛的研究興趣。現有的報道已對可降解電極、可降解半導體、可降解介電材料和可降解襯底進行了大量的研究；然而，目前所報道的可降解器件沒有表現出優異的光電性能，這極大地阻礙了它們在有機神經形態視覺傳感器（ONeuVS）等光電器件中的進一步應用。

日前，天津大學胡文平-紀德洋教授團隊及其合作者，使用一種環境友好的可降解聚碳酸脂材料作為介電層，用以構筑高光電性能的可降解ONeuVSs。通過研究發現，器件的遷移率為2.74 cm2 V-1 s-1和電流開關比大于109。此外，還獲得了優異的光學性能，光敏度（Pmax）為8.7 × 108和探測率（D*max）為9.42 × 1016 Jones，是瞬態電子器件中的值。此外，ONeuVS陣列還可以實現靜態圖像識別和高通濾波功能。在完成功能性應用后，器件被可控地降解于酸性或者堿性環境，且不會造成二次污染。這不僅對平衡器件穩定性和環境友好降解做出了貢獻，還為優化器件性能提供了新的見解，以促進更實用的瞬態電子學的發展。

【聚碳酸酯材料】

聚碳酸酯可以通過二氧化碳和環氧化物的共聚合成，這一合成過程可以有效地利用溫室氣體，從而實現碳中和。通常，對二氧化碳基聚碳酸酯的生命周期評估表明，在聚醚碳酸酯中加入20%的二氧化碳可以減少11%-19%的溫室氣體排放，減少13%-16%的化石資源消耗。因此，它被認為是一種前景的可降解聚合物材料。在這項研究中，以CO2和環氧環己烯為原料，采用一步法合成了一種可降解的聚合物材料聚碳酸環己烯酯（PCHC）作為介電層。熱重分析(TGA)表明，PCHC具有良好的熱穩定性。進一步，通過旋涂法制備的PCHC薄膜具有光滑的表面，其均方根（RMS）粗糙度為0.37 nm。而且，其在可見光區具有優異的透明度。此外，采用Si/PCHC/Ag夾層結構確定了PCHC薄膜在不同頻率下的電容和擊穿電場強度（小于178 MV/m）。上述結果表明，PCHC聚合物材料作為柵極絕緣體是構建下一代可降解OTFT的理想材料。

【可降解的有機光電晶體管】

為了研究不同分子量的聚合物介電材料對OTFTs電學性能的影響，分別使用分子量為9.7 kDa，12.1 kDa和26.3 kDa的PCHC介電材料構筑了底柵頂接觸結構的OTFT（C10-DNTT作為有機層）。結果表明，基于分子量為12.1 kDa的PCHC介電材料所構筑的OTFT表現出2.74 cm2 V-1 s-1的高遷移率和高于109的電流開關比。此外，性能器件在大氣環境中放置8個月后，在5700次連續重復開關操作下仍能表現出優異的穩定性。建立在優異的電學性能基礎之上，探究了該器件的光學性能。通過光學性能參數評估，該器件在報道的可降解光電器件中顯示出值。

可降解的光電晶體管：A. OTFT陣列示意圖；B. PCHC聚合物介電材料(分子量為12.1 kDa)在不同頻率下的電容；C. ITO、ITO/C10-DNTT和ITO/PCHC(分子量分別為 9.7 kDa、12.1 kDa和26.3 kDa)/C10-DNTT的XRD譜圖；D-F. C10-DNTT在分子量分別為12.1 kDa、9.7 kDa和26.3 kDa的PCHC介電層上生長的AFM圖像；G. 器件遷移率分布圖；H. 我們工作中的遷移率與已報道的可降解OTFT的比較；L. ITO/PCHC(分子量為12.1 kDa)/C10-DNTT/Au結構的OTFT在空氣中放置8個月后的穩定性；J. 不同光照強度下的P值。

【可降解的神經視覺傳感器】

可降解光子突觸晶體管具有低延遲、快速響應和高寬帶等優勢，被認為有望解決馮·諾伊曼瓶頸。在這項工作中，我們構筑了視網膜激發的可降解ONeuVSs，并模擬了人工視覺系統檢測光信號，并將其轉換為電信號的過程。這些信號由視神經通過突觸傳遞到大腦。在光刺激下，興奮性神經遞質從突觸前膜釋放到突觸后膜，形成興奮性突觸后電流(EPSC)。通過調控不同的光照強度，光照時間和光脈沖的刺激個數，該器件成功模擬了突觸可塑性。此外，該器件還具有靜態識別功能和高通濾波特性。這為開發具有低功耗、多功能性的瞬態電子器件提供了新的思路與見解。

【基于PCHC薄膜的降解機理】

可降解電子器件在實現自身功能應用后可分解成微小的結構碎片，被認為是保護生態環境和人類健康的有效途徑。在本研究中，由于器件的一些成分在堿性或者酸性溶液中被分解，包括(PVA)、鋁(Al)和PCHC，因此，使用化學降解來分解電子器件。采用水溶性材料PVA作為襯底，Al電極作為柵極。金被用作源電極和漏電極，這些電極可以被回收再利用，不會造成任何環境污染。在降解過程中，PCHC薄膜在堿性溶液中通過親核加成反應，最終被分解為CO 2和環己二醇。在PCHC中，氫氧根離子(OH ?)攻擊酯基中的羰基，這些羰基發生親核加成反應形成四面體中間體。隨后，消除過程產生碳酸鹽和烷氧基化合物。碳酸鹽基團在熱力學上不穩定，容易分解成醇氧化合物并釋放CO 2。最后，烷氧基化合物從水中提取質子得到環己二醇。此外，基于PCHC介電材料的柔性陣列也可以在鹽酸溶液(pH 5)中降解。在這一降解過程中，水分子攻擊質子化的酯基，通過親核加成反應形成正電荷的四面體中間體。質子轉移后，中間產物被消除，生成碳酸鹽和醇氧化合物。不穩定的碳酸鹽基團很容易分解成醇氧化合物，同時釋放CO 2。因此，降解過程證實了基于聚碳酸酯介電材料具有環保的優勢。

總結：本工作開發了一種新型的可降解PCHC介電材料，并將其應用于光電晶體管和突觸晶體管。在器件完成功能性應用后，被可控地降解于環境中，且不會產生二次污染。這項工作為瞬態電子學發展多功能應用提供了思路。

來源：傳感器專家網