I transistor elettrochimici organici (OECT) hanno recentemente ricevuto molto interesse e attenzione nella comunità di ricerca, non solo per la loro biocompatibilità ma anche per altre nuove caratteristiche come l'amplificazione di segnali ionico-elettronici e il rilevamento di ioni e molecole.
Per ottenere queste caratteristiche, i semiconduttori che compongono gli OECT devono essere in grado di trasportare in modo efficiente sia gli ioni che gli elettroni. I materiali coniugati innestati con catene di glicole idrofili hanno mostrato livelli desiderabili di efficienza pur essendo morbidi e consentendo agli ioni di permeare attraverso le loro superfici. Tuttavia, mostrano caratteristiche semicristalline imperfette e frazioni disordinate quando vengono convertiti in pellicole solide.
Le prestazioni allo stato stazionario degli OECT possono essere ottimizzate utilizzando insieme sia la progettazione molecolare che l'allineamento strutturale per ridurre i disturbi energetici e microstrutturali nei film. Con questa lungimiranza, un gruppo di ricercatori guidati dal professor Myung-Han Yoon del Gwangju Institute of Science and Technology, in Corea, ha recentemente intrapreso uno studio per creare dispositivi OECT ad alte prestazioni basati su polimeri di tipo poli(dichetopirrolopirrolo) (PDPP) come livelli attivi.
Hanno modulato il numero di unità ripetitive delle catene laterali del glicole etilenico (EG) nel PDPP da due a cinque e hanno scelto la figura di merito come prodotto della mobilità del portatore di carica e della capacità volumetrica. Il loro studio è stato reso disponibile online in Materiali avanzati .
Parlando della logica alla base della conduzione di questo studio, il prof. Yoon afferma:"L'utilizzo di conduttori misti nei transistor elettrochimici rende difficile aspettarsi miglioramenti significativi delle prestazioni, anche quando si applicano processi di controllo della microstruttura convenzionali."
"Ciò è dovuto alla forte coesione intermolecolare dovuta alla flessibilità e all'idrofilicità delle catene laterali della struttura molecolare. Il nostro nuovo materiale conduttore misto risolve questo problema introducendo una struttura ibrida della catena laterale alchil-EG, che può fornire un'adeguata idrofobicità e stabilità strutturale al molecola."
Nel loro studio, la spettroscopia di assorbimento ultravioletto-visibile (UV-vis) ha confermato la formazione di aggregati J nei tre, quattro e cinque polimeri EG. Inoltre, le misurazioni della voltammetria ciclica hanno dimostrato una graduale diminuzione dei valori di inizio dell'ossidazione con un aumento del numero di polimeri EG.
Inoltre, poiché la spettroscopia di impedenza elettrochimica ha rivelato valori di capacità volumetrica simili per tutti i polimeri dell'attuale famiglia PDPP, i ricercatori hanno utilizzato la mobilità dei portatori di carica per distinguere principalmente le loro prestazioni.
Il dispositivo OECT basato su PDPP-4EG fabbricato tramite fusione a rotazione ha mostrato prestazioni ottimali:un valore di figura di merito di 702 F V -1 cm -1 s -1 , mobilità del portatore di carica di 6,49 cm 2 V -1 s -1 e un valore di transconduttanza di 137,1 S cm -1 .
I valori di oscillazione sottosoglia erano pari a 7,1 V dec -1 e il numero di stati trap dell'interfaccia era solo 1,3 x 10 13 eV -1 cm -2 . Inoltre, PDPP-4EG ha mostrato anche il grado più basso di disordine energetico e domini cristallini ben sviluppati con il minimo disordine microstrutturale.
Per ottimizzare l'allineamento strutturale lungo il canale OECT, i ricercatori hanno utilizzato il metodo di trasferimento del film flottante unidirezionale (UFTM). Gli aggregati J subivano una compressione unidirezionale quando la pellicola polimerica veniva aggiunta a un liquido idrofilo. Gli OECT basati su pellicola UFTM PDPP-4EG hanno prodotto un notevole valore di cifra di merito di oltre 800 F V -1 cm -1 s -1 .
Evidenziando le implicazioni a lungo termine di questo studio, il prof. Yoon afferma:"Nell'era dell'intelligenza artificiale, si prevede che verranno sviluppati dispositivi neuromorfici. I conduttori misti organici sono tra i materiali più promettenti in questo campo, con un alto potenziale di progresso. La nostra ricerca fa parte degli sforzi per superare le scarse prestazioni dei materiali organici."
A lungo termine, lo sviluppo di conduttori misti organici ad alta affidabilità può essere applicato a vari campi, come sensori indossabili, computer e sistemi sanitari di prossima generazione, contribuendo così al miglioramento della comodità umana.
Ulteriori informazioni: Il‐Young Jo et al, Transistori elettrochimici organici ad alte prestazioni ottenuti ottimizzando l'ordinamento strutturale ed energetico di polimeri a base di dichetopirrolopirrolo, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202307402
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia di Gwangju
