张丛丛，副教授，硕士生导师，前沿交叉科学研究院刘宏院长团队成员，党支部书记，天津大学山东校友会副秘书长。面向国家和山东省新旧动能转换的重大战略目标，通过材料的可控组装、器件的设计构筑，实现重大疾病的早期诊疗、以及细胞诊疗等方面应用研究。申报人长期坚持在物理化学的研究领域，主要研究内容包括组装电学性能优异的π-共轭体系化合物，构建基于π-共轭化合物的高性能场效应晶体管，设计制备高灵敏度、高稳定性且便携式的分析器件，用于物理、化学、生物的传感。自2018年至今，以第一或通讯作者在包括InfoMat, Nano Energy, Nano-Micro Letters, Small等重要学术期刊上发表论文9篇，其中5篇影响因子>15，2篇影响因子>20；累计发表论文18篇，总影响因子超过220；获得授权发明专利3项。研究工作受到国内外广泛关注，被多家学术媒体选为研究热点报道，1篇入选纳米人2019年16本优秀国产期刊最值得关注的81个成果集锦，多篇被材料人、ACS Publications、Chemistry Views进行新闻专题报道；受邀在在中国化学会等年度会议上做分会/墙报报告；受邀担任Sensors客座编辑，组织了“Novel Field-Effect Transistor Biosensing”主题专刊; 获得国家自然科学基金和山东省自然科学博士基金等国家省部级项目资助。

学术兼职：Nano Energy， Nano-Micro Letter特邀审稿人。

科研论文：

表1、代表性论文统计

创新成果1：结构调控设计基于金纳米颗粒自组装三维互联石墨烯微通道嵌入式PDMS薄膜，解决批次不同的微纳米压阻材料微观结构和功能差异性大的挑战，既能实现压力检测又能用于应力传感，通过人体脉搏和管道膨胀的实时监测，满足基于此材料的传感阵列的物体形貌识别。

制造均匀、灵敏、耐用的微纹理柔性传感材料是压力传感器和电子皮肤面临的最大挑战之一。申报人团队提出基于金纳米颗粒自组装三维互连石墨烯微通道嵌入PDMS来制备一种高灵敏应变和压力传感器的方法。通过CVD方法在泡沫镍片上沉积多层石墨烯纳米层,生成石墨烯涂层的泡沫镍片; 将新鲜混合的PDMS溶液经旋涂、真空处理、固化均匀地填充到多孔泡沫镍中; 化学腐蚀镍框架, 以获得三维互联石墨烯微通道嵌入式PDMS薄膜(GMC-PDMS); 金纳米粒子通过化学还原法组装在GMC-PDMS膜的内壁上, 生成AuNPs-GMC-PDMS膜。该方法操作简单，产物均一，不需要进行反应动力学控制，适用于大批量生产。申请人深度研究了其电子器件的压阻传感特性，表征分析结果显示该传感器的检测范围很广(〜50 kPa), 在<1、1–10和10–50 kPa的范围内分别具有5.37、1.56和0.5 kPa^-1的超高灵敏度。检测下限为4.4 Pa; 响应时间为15-20 ms, 应变系数高达15。这种传感材料在仿生皮肤传感器中有潜在的应用前景。作者通过评估压力应变传感装置的传感能力, 通过人体脉搏和管道膨胀的实时检测, 以及基于集成传感阵列的物体形貌识别, 展示了这种材料。研究成果以申请人共同第一/共同通讯发表于ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 6(11), 2000731 （图2，代表论著1）。并获得邀请，撰写基于石墨烯纳米结构的电子皮肤触觉传感器的进展文章，发表于Nano-Micro Lett., 2019, 11(1), 71 （代表论著2）。

创新成果2：针对用于溶液相检测的电子器件耐溶剂性差和电学性能加速衰减等问题，利用共价构型和偶联剂的功能多样性开发电学性能各异的可层间电子传递的智能石墨烯薄膜并构筑场效应晶体管（FET），阐明了接触电阻影响沟道载流子注入和传输的机制，提出构筑超高耐溶剂性和优异的电稳定性的创新型FET的设计原则，用于重大疾病的早期诊疗和污水中重金属离子的检测。

尽管，目前通过MEMS技术构建的各类电子器件已经成熟地应用在各种传感领域，但是大多数电子器件的电极与半导体层之间是通过物理沉积技术这种弱相互作用而连接的，其结构在多步处理过程中容易破损，从而加剧了电信号输出的不稳定性。另一方面，传统的电极材料非常有限，大部分是贵金属，其带来的高价格也是一个亟待解决的问题。因此，如何在保持传感器件高稳定性的同时，使其易于制造且成本低廉，仍是一个艰巨的挑战。针对以上问题，申报人团队利用还原氧化石墨烯（RGO），以(3-氨丙基)三甲氧基甲硅烷（APTMS）作为偶联剂实现了 FET 器件从基底-栅极-绝缘层-半导体层-源漏电极之间的全共价键连接，轻松有效地构筑了的具有高抗溶剂性的全共价键全石墨烯FET器件（AC-FET）。依赖器件各部件之间的共价连接，其完美的双极性特性和极其尖锐的狄拉克点，即使将整个器件浸入十种常用溶剂中，按顺序超声处理100分钟(共100×10=1000分钟)，也几乎没有降解/漂移。用RGO替换贵金属做电极，在降低器件构筑成本的同时还降低了电极与活性层之间的注入势垒，实现载流子良好的注入与传输。研究成果以申请人第一作者表于J. Mate. Chem. C, 2020, 8, 7436-7446（图3a，代表论著3）。

申报人运用成果3中得到的FET器件，结合其的独特电学特性和具有的大π结构的分子产生的荧光能量共振转移，在同一个传感器件上一次性获得电学和光学检测信号，实现对特定肿瘤标志物micro-RNA的高灵敏度、高稳定性、高可靠性的检测。（Adv. Electro. Mater., 2020, 6(11), 2000731，图3b，代表论著4）此外，为进一步简化构造方法，提高器件性能，在代表论著3的基础之上，引入了5, 10, 15, 20-四（4-氨苯基）-21H，23H-卟啉偶联剂（TAPP），并利用APTMS和TAPP两种偶联剂之间结构差异引起的电荷传输性能的差异，在Si/SiO₂衬底上组装了两种共价键合的不同电学性能的氧化石墨烯薄膜，并通过一步还原法将两种薄膜同时还原并分别用作半导体层和源/漏电极，获得高稳定性、共价组装的全石墨烯FET（CAAG-FET）。通过这种简单方法获得的CAAG-FET具有较高的电学性能，其空穴、电子迁移率有了数量级的提升。此外，良好的材料稳定性和出色的器件结构使该器件同样具有出色的电稳定性和耐溶剂性，从而改善了其在溶液相传感/检测中的应用前景。在此基础上，利用ssDNA胸腺嘧啶与汞离子（Hg²⁺）的配位反应，在CAAG-FET的半导体层上实现了Hg²⁺的特异性识别，从而使该器件成为精确检测Hg2⁺的理想传感平台。该平台对Hg²⁺的检测极限低至16 pM，在模拟污水中的检测误差小于17％，并且可以实现市政供水管道中汞离子监测的模拟。（SmartMat, 2021, 2, 1030，图3c，代表论著5）由于在此领域研究的突出性，获邀撰写基于石墨烯材料的生物传感器-miRNA检测研究进展的综述文章，申报人以第一作者发表于Small，2019，15(38), 1901867（代表论著6）。

创新成果3：针对高灵敏度和高时空分辨传感阵列电信号的检测仍需要依赖高精度的外部检测设备，不利于便携和原位检测难题，通过调控有机压电纳米材料的分布和组装，电容耦合FET器件构建高增敏触觉传感器，在人机交互和可穿戴设备领域发挥了重要作用。

目前商业化的机器人系统缺乏触觉感知功能，无法实现真正的智能化应用。机器人智能电子皮肤是利用新材料、微机电和传感器等技术开发的能够模仿人体皮肤保护、感知等功能的柔性电子系统，是实现机器人触觉功能的重要途径。针对压电传感器灵敏度高但压电纳米材料的力-电转换信号微弱，容易湮没在噪声中的瓶颈问题，申报人团队通过纳米尺度柔性压电传感原理和材料的设计，借助FET器件对压电信号的耦合增强力-电转换信号，获得高灵敏度的压电型压力传感单元。首先，以AAO模板辅助采用热压法获得了一种典型的有机压电材料β-PVDF纳米棒阵列，压电材料介导的力-电转换效应是实现压力传感的基础，以纳米棒为基础的压电材料的力-电转换效应与传统意义的压电响应明显不同，纳米尺度引入的纵向柔性特征，使得压电响应信号来源多样化和协同化。借此研究了压电放电对OFET半导体输运性能的影响，通过对OFET栅极电压的调控，实现了对纳米棒阵列力-电耦合效应的放大机制的掌握，并对压力测试 极限、灵敏度、OFET 放大倍数等进行深入研究 （图4a）。随后，团队采用先进的静电纺丝技术获得了PVDF纳米纤维薄膜，由于每根纳米纤维在制备过程中都得到高电压和拉伸极化，且纤维膜形成后的退火过程进一步促进了β-PVDF的极化，实现了材料压电特性的大幅度提升。PVDF材料天然的疏水特性结合纳米纤维膜中数以万计的微孔，使设备具有优异的防水性和透气性，能够避免外界潮湿环境和佩戴者汗水的侵害，从而提高稳定性和佩戴舒适性（图4b）。在压电电子学的引导下，将PVDF纳米纤维膜与OFET电容耦合，构筑低能耗高性能的触觉传感器，其灵敏度、检测限和响应时间分别为7.94 KPa^-1、48.54 Pa和105 ms。此类高性能、防水、透气的触觉传感器，可实现对人体生理信号的实时监测（图5）。以上研究成果分别发表于Nano Energy, 2020, 76, 105050 （代表论著7）和Nano Energy, just accepted （代表论著8）。