Transistores eletroquímicos orgânicos verticais para circuitos complementares

Nature volume 613, páginas 496–502 (2023) Citar este artigo

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Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) e circuitos baseados em OECT oferecem grande potencial em bioeletrônica, eletrônicos vestíveis e eletrônicos neuromórficos artificiais por causa de suas tensões de condução excepcionalmente baixas (<1 V), baixo consumo de energia (<1 µW), alta transcondutância (>10 mS) e biocompatibilidade1,2,3,4,5. No entanto, a realização bem-sucedida de OECTs de lógica complementar crítica é atualmente limitada por instabilidade temporal e/ou operacional, processos redox lentos e/ou comutação, incompatibilidade com integração monolítica de alta densidade e desempenho inferior de OECT tipo n6,7,8. Aqui demonstramos OECTs verticais do tipo p e n com desempenho balanceado e ultra-alto, misturando polímeros semicondutores redox-ativos com um polímero fotocurável e/ou fotopatternável redox-inativo para formar um canal semicondutor permeável a íons, implementado de uma forma simples, arquitetura vertical escalável que possui um contato superior denso e impermeável. Densidades de corrente de pegada superiores a 1 kA cm−2 a menos de ± 0,7 V, transcondutâncias de 0,2–0,4 S, tempos transitórios curtos de menos de 1 ms e comutação ultraestável (> 50.000 ciclos) são alcançados, até onde sabemos, no primeiros circuitos lógicos OECT verticais complementares empilhados verticalmente. Essa arquitetura abre muitas possibilidades para estudos fundamentais de química e física redox de semicondutores orgânicos em espaços nanoscopicamente confinados, sem contato de eletrólito macroscópico, bem como aplicações de dispositivos vestíveis e implantáveis.

Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) são atraentes para bioeletrônica, eletrônica vestível e eletrônica neuromórfica por causa de sua baixa tensão de condução, baixo consumo de energia, alta transcondutância e fácil integração em plataformas mecanicamente flexíveis1,2,3,5,9,10,11. No entanto, outros avanços OECT enfrentam desafios. (1) Apesar do progresso8, o fraco desempenho da OECT de transporte de elétrons (tipo n) versus suas contrapartes de transporte de buracos (tipo p) (aproximadamente 1.000 vezes menor transcondutância e/ou densidade de corrente)6,7,12, dificulta o desenvolvimento de lógica complementar e sensibilidade para cátions de analito relevantes in vivo (por exemplo, Na+, K+, Ca2+, Fe3+ e Zn2+) para o desenvolvimento de biossensores. (2) A instabilidade temporal e/ou operacional impede todas as aplicações possíveis. (3) O desempenho OECT tipo p e tipo n desbalanceado impede a integração em circuitos complementares13,14. (4) Processos redox lentos levam a comutação lenta. (5) OECTs convencionais de última geração (cOECTs), com arquiteturas planares de eletrodos fonte-drenagem, requerem pequenos comprimentos de canal (L) de no máximo 10 µm, juntamente com camadas semicondutoras precisamente padronizadas e revestimentos de eletrodos com materiais passivos, para alta transcondutância (gm) e comutação rápida (aproximadamente na faixa de milissegundos)15, exigindo metodologias de fabricação complexas15,16. Observe que a fotolitografia convencional só pode realizar recursos de forma confiável ou L maiores que 1 µm (ref. 16) e, embora a impressão e o corte a laser ofereçam fabricação simplificada de COECT, isso ocorre às custas do desempenho17,18,19. Além disso, para aumentar o gm, os OECTs normalmente usam filmes semicondutores espessos, comprometendo inevitavelmente as velocidades de comutação porque valores altos de gm requerem troca iônica eficiente entre o eletrólito e o semicondutor em massa20. Consequentemente, sem progresso no design de materiais, particularmente para semicondutores do tipo n, e a realização de novas arquiteturas de dispositivos, as aplicações OECT permanecerão limitadas em escopo.

Neste relatório, demonstramos OECTs tipo p e n de alto desempenho e circuitos complementares usando uma arquitetura de dispositivo vertical (OECT vertical, doravante denominada vOECT) prontamente fabricada por evaporação térmica e mascaramento de eletrodos dreno-fonte de Au impermeáveis ​​e densos e spin-coating e fotopadronização de um canal semicondutor condutor de íons. O processo de fabricação do vOECT é ilustrado na Fig. 1a e os detalhes podem ser encontrados nos Métodos. A chave para este processo é o uso de um polímero semicondutor redox-ativo tipo p (gDPP-g2T) ou tipo n (Homo-gDPP) misturado com um componente de polímero redox-inerte e fotocurável (polímero cinamato-celulose (Cin- Cell)) como o canal OECT (veja as estruturas na Fig. 1b, o processo de síntese nos Métodos e Dados Estendidos Fig. 1). Com base nas experiências de controlo (vide infra) verificou-se que a proporção de peso polímero semicondutor óptima:Cin-Célula era de 9:2. Uma seção transversal da geometria vOECT e imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) selecionadas (Fig. 1c,d) indicam que o comprimento do canal (L) é a espessura da camada semicondutora (aproximadamente 100 nm), as larguras do fundo e o os eletrodos superiores definem a largura do canal (W) e a profundidade nominal (d) do semicondutor, respectivamente. COECTs e VOECTs que usam polímeros sem cadeias laterais de etilenoglicol condutoras de íons também foram fabricados como controles; seu desempenho é marginal (Dados Estendidos Fig. 2).