Organische elektrochemische transistors (OECT's) hebben de laatste tijd veel belangstelling en aandacht gekregen in de onderzoeksgemeenschap, niet alleen vanwege hun biocompatibiliteit, maar ook vanwege andere nieuwe kenmerken zoals de versterking van ionische-elektronische signalen en de detectie van ionen en moleculen.

Om deze kenmerken te bereiken, moeten halfgeleiders die OECT's omvatten, zowel ionen als elektronen efficiënt kunnen transporteren. Geconjugeerde materialen geënt met hydrofiele glycolketens hebben een wenselijk niveau van efficiëntie getoond, terwijl ze ook zacht zijn en ionen door hun oppervlakken laten doordringen. Ze vertonen echter imperfecte semikristallijne kenmerken en ongeordende fracties wanneer ze worden omgezet in vaste films.

De steady-state prestaties van OECT's kunnen worden geoptimaliseerd door zowel moleculair ontwerp als structurele uitlijning samen te gebruiken om de energetische en microstructurele stoornissen in de films te verminderen. Met deze vooruitziende blik heeft een groep onderzoekers onder leiding van professor Myung-Han Yoon van het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie, Korea, onlangs een studie ondernomen om hoogwaardige OECT-apparaten te creëren op basis van polymeren van het poly(diketopyrrolopyrrole) (PDPP)-type. actieve lagen.

Ze moduleerden het aantal zich herhalende eenheden van ethyleenglycol (EG) zijketens in PDPP van twee naar vijf en kozen het verdienstecijfer als het product van de ladingsdragermobiliteit en de volumetrische capaciteit. Hun onderzoek werd online beschikbaar gesteld in Geavanceerd materiaal .

Over de grondgedachte achter het uitvoeren van dit onderzoek zegt prof. Yoon:"Het gebruik van gemengde geleiders in elektrochemische transistors maakt het moeilijk om aanzienlijke prestatieverbeteringen te verwachten, zelfs bij toepassing van conventionele microstructuurcontroleprocessen."

"Dit komt door de sterke intermoleculaire cohesie als gevolg van de flexibiliteit en hydrofiliciteit van de zijketens van de moleculaire structuur. Ons nieuwe gemengde geleidermateriaal lost dit probleem op door de introductie van een alkyl-EG hybride zijketenstructuur, die passende hydrofobiciteit en structurele stabiliteit kan bieden aan de molecuul."

In hun onderzoek bevestigde ultraviolet-zichtbare (UV-vis) absorptiespectroscopie de vorming van J-aggregaten in de drie, vier en vijf EG-polymeren. Bovendien toonden cyclische voltammetriemetingen een geleidelijke afname aan van de beginwaarden van oxidatie met een toename van het aantal EG-polymeren.

Omdat elektrochemische impedantiespectroscopie vergelijkbare volumetrische capaciteitswaarden aan het licht bracht voor alle polymeren in de huidige PDPP-familie, gebruikten de onderzoekers bovendien de mobiliteit van ladingsdragers om voornamelijk hun prestaties te onderscheiden.

Het OECT-apparaat op basis van PDPP-4EG, vervaardigd via spincasting, vertoonde optimale prestaties:een cijfer van verdienste van 702 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 , mobiliteit van de laaddrager van 6,49 cm ² V ^-1 s ^-1 , en een transconductantiewaarde van 137,1 S cm ^-1 .

De swingwaarden onder de drempelwaarde waren zo laag als 7,1 V dec ^-1 , en het aantal interface-trapstatussen was slechts 1,3 x 10 ¹³ eV ^-1 cm ^-2 . Bovendien vertoonde PDPP-4EG ook de laagste graad van energetische wanorde en goed ontwikkelde kristallijne domeinen met de minste microstructurele wanorde.

Om de structurele uitlijning langs het OECT-kanaal te optimaliseren, gebruikten de onderzoekers de unidirectionele drijvende filmoverdrachtmethode (UFTM). De J-aggregaten ondergingen unidirectionele compressie toen de polymeerfilm werd toegevoegd aan een hydrofiele vloeistof. De UFTM PDPP-4EG-filmgebaseerde OECT's leverden een opmerkelijke 'figure-of-merit'-waarde op van meer dan 800 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 .

Prof. Yoon benadrukt de langetermijnimplicaties van deze studie en zegt:"In het tijdperk van kunstmatige intelligentie zullen naar verwachting neuromorfe apparaten worden ontwikkeld. Organische gemengde geleiders behoren tot de meest veelbelovende materialen op dit gebied, met een hoog potentieel voor vooruitgang. Ons onderzoek maakt deel uit van de inspanningen om de slechte prestaties van organische materialen te overwinnen."

Op de lange termijn kan de ontwikkeling van organische gemengde geleiders met hoge betrouwbaarheid worden toegepast op verschillende gebieden, zoals draagbare sensoren van de volgende generatie, computers en gezondheidszorgsystemen, waardoor wordt bijgedragen aan het vergroten van het menselijk gemak.

Meer informatie: Il-Young Jo et al, Hoogwaardige organische elektrochemische transistors bereikt door het optimaliseren van de structurele en energetische ordening van op diketopyrrolopyrrool gebaseerde polymeren, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202307402

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie