Doping används ofta för att förbättra prestandan i halvledande enheter men har inte tidigare varit framgångsrik för elektrontransport eller n-typ, organiskt elektroniskt material. Nu, ett tillvägagångssätt utvecklat av KAUST använder ett dopmedel, en tillsats som ökar den elektroniska prestandan och vattenstabiliteten hos en halvledande polymer av n-typ, att producera den första vattenstabila n-dopade, organiska elektrokemiska transistorer, känd som OECTs.

Organiska elektrokemiska transistorer består av plastblandade ledare - aktiva halvledarskikt som leder joniska och elektroniska laddningar samtidigt. Dessa blandade ledare tillåter OECTs att omvandla joniska signaler i elektrolyter och biologiska vätskor till elektroniska signaler. Dock, prestandan hos organiska halvledare av n-typ släpar efter den hos deras håltransporterande motsvarigheter i miljöer som dikteras av biologiska system, vilket är ett stort hinder för att utveckla logiska kretsar och transistormatriser.

Nuvarande metoder för att förbättra de elektroniska egenskaperna hos OECT involverar syntetisering av nya plastblandade ledare. Ett KAUST-team har valt en enkel teknik som använder ammoniumsaltet tetra-n-butylammoniumfluorid som n-dopant och den konjugerade polymeren P-90, som innehåller naftalen- och tiofenenheter, som blandad ledare. Teamet löste upp dopmedlet och halvledaren i två separata lösningar och kombinerade dem sedan. "Denna teknik kan användas i vilket labb som helst utan att vara kemist eller specialist, " säger tidigare KAUST postdoc Alexandra Paterson, som ledde studien under Sahika Inals mentorskap.

Forskarna upptäckte att effektiv n-doping beror på att separera ammoniumkatjonen från dess fluoranjon. Saltet överför fluoridanjonen till polymeren för att generera en fluorerad P-90-radikal och en P-90-anjonradikal. De resulterande delokaliserade och oparade elektronerna förbättrar den elektrokemiska dopningen i OECT:erna.

Saltet fungerade också som en morfologitillsats genom att reducera och jämna ut ytstrukturen, orsakar att aggregat bildas på polymerfilmen, vilket underlättar laddningstransport i filmen.

"Saltets dubbla roll påverkar både elektroniska och joniska aspekter av blandad ledning, " förklarar Paterson.

Forskarna testade OECT:s funktionsstabilitet i luft och vatten samt deras hållbarhet när de lagrades i biologiska medier. "OECT och n-dopingmekanismerna är extremt stabila, " säger Paterson. Detta är en stor prestation eftersom polymererna som studeras är designade för att vara stabila, dopmedel av n-typ är vanligtvis instabila under elektrokemiska driftsförhållanden, speciellt i luft och vattenlösningar.

Teamet arbetar nu med att utnyttja den långa hållbarheten och driftsstabiliteten hos dessa n-dopade OECTs för bioelektroniska applikationer, såsom glukossensorer och enzymatiska bränsleceller. De utvärderar också potentiella användningsområden för att övervaka jonkanalaktivitet i celler samt bygga nästa generations katjonsensorer i mikroskala.