Forskere optimerer ydeevnen af ​​nye organiske elektrokemiske transistorer

Organiske elektrokemiske transistorer (OECT'er) har for nylig fået stor interesse og opmærksomhed i forskersamfundet, ikke kun for deres biokompatibilitet, men også for andre nye egenskaber som forstærkning af ionisk-elektroniske signaler og påvisning af ioner og molekyler.

For at opnå disse egenskaber skal halvledere bestående af OECT'er være i stand til at transportere både ioner og elektroner effektivt. Konjugerede materialer podet med hydrofile glycolkæder har vist ønskelige effektivitetsniveauer, mens de også er bløde og tillader ioner at trænge gennem deres overflader. Imidlertid udviser de ufuldkomne semikrystallinske egenskaber og uordnede fraktioner, når de omdannes til faste film.

OECTs steady-state ydeevne kan optimeres ved at bruge både molekylært design og strukturel justering sammen for at reducere de energetiske og mikrostrukturelle lidelser i filmene. Med denne omtanke har en gruppe forskere ledet af professor Myung-Han Yoon fra Gwangju Institute of Science and Technology, Korea, for nylig gennemført en undersøgelse for at skabe højtydende OECT-enheder baseret på poly(diketopyrrolopyrrol) (PDPP)-type polymerer som aktive lag.

De modulerede antallet af gentagne enheder af ethylenglycol (EG) sidekæder i PDPP fra to til fem og valgte værdien som produktet af ladningsbærerens mobilitet og den volumetriske kapacitans. Deres undersøgelse blev gjort tilgængelig online i Advanced Materials .

Prof. Yoon taler om rationalet bag gennemførelsen af ​​denne undersøgelse:"Anvendelse af blandede ledere i elektrokemiske transistorer gør det vanskeligt at forvente væsentlige præstationsforbedringer, selv når der anvendes konventionelle mikrostrukturkontrolprocesser."

"Dette skyldes den stærke intermolekylære kohæsion på grund af fleksibiliteten og hydrofiliciteten af ​​sidekæderne i molekylstrukturen. Vores nye blandede ledermateriale løser dette problem ved at introducere alkyl-EG hybrid sidekædestruktur, som kan give passende hydrofobicitet og strukturel stabilitet til molekyle."

I deres undersøgelse bekræftede ultraviolet-synlig (UV-vis) absorptionsspektroskopi dannelsen af ​​J-aggregater i de tre, fire og fem EG-polymerer. Desuden viste cykliske voltammetrimålinger et gradvist fald i oxidationsstartværdier med en stigning i antallet af EG-polymerer.

Da elektrokemisk impedansspektroskopi desuden afslørede lignende volumetriske kapacitansværdier for alle polymerer i den nuværende PDPP-familie, brugte forskerne ladningsbærermobilitet til primært at skelne deres ydeevne.

OECT-enheden baseret på PDPP-4EG fremstillet via spin-casting viste optimal ydeevne - en værdi på 702 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 , ladebærers mobilitet på 6,49 cm ² V ^-1 s ^-1 , og en transkonduktansværdi på 137,1 S cm ^-1 .

Swingværdierne for undertærskel var så lave som 7,1 V dec ^-1 , og antallet af grænsefladefældetilstande var kun 1,3 x 10 ¹³ eV ^-1 cm ^-2 . Desuden udviste PDPP-4EG også den laveste grad af energetisk lidelse og veludviklede krystallinske domæner med den mindste mikrostrukturelle lidelse.

For at optimere strukturel justering langs OECT-kanalen brugte forskerne den ensrettede flydende filmoverførselsmetode (UFTM). J-aggregaterne undergik ensrettet kompression, når polymerfilmen blev tilsat til en hydrofil væske. De UFTM PDPP-4EG filmbaserede OECT'er gav en bemærkelsesværdig værdi på over 800 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 .

Prof. Yoon fremhæver de langsigtede implikationer af denne undersøgelse, og siger:"I en æra med kunstig intelligens forventes neuromorfe enheder at blive udviklet. Organiske blandede ledere er blandt de mest lovende materialer på dette område, med et højt potentiale for fremskridt. Vores forskning er en del af bestræbelserne på at overvinde den lave ydeevne af organiske materialer."

På lang sigt kan udviklingen af ​​organiske blandede ledere med høj pålidelighed anvendes på forskellige områder, såsom næste generations bærbare sensorer, computere og sundhedssystemer, og dermed bidrage til at forbedre den menneskelige bekvemmelighed.

Flere oplysninger: Il‐Young Jo et al., højtydende organiske elektrokemiske transistorer opnået ved at optimere strukturel og energisk bestilling af Diketopyrrolopyrrol-baserede polymerer, avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202307402

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Gwangju Institute of Science and Technology