Organiska elektrokemiska transistorer (OECT) har nyligen fått stort intresse och uppmärksamhet i forskarvärlden, inte bara för sin biokompatibilitet utan också för andra nya egenskaper som förstärkning av joniska-elektroniska signaler och detektion av joner och molekyler.
För att uppnå dessa egenskaper måste halvledare som består av OECT:er kunna transportera både joner och elektroner effektivt. Konjugerade material ympade med hydrofila glykolkedjor har visat önskvärda nivåer av effektivitet samtidigt som de är mjuka och tillåter joner att tränga igenom deras ytor. Men de uppvisar ofullständiga semikristallina egenskaper och oordnade fraktioner när de omvandlas till fasta filmer.
OECTs steady-state prestanda kan optimeras genom att använda både molekylär design och strukturell anpassning tillsammans för att minska de energiska och mikrostrukturella störningarna i filmerna. Med denna eftertanke har en grupp forskare under ledning av professor Myung-Han Yoon från Gwangju Institute of Science and Technology, Korea, nyligen genomfört en studie för att skapa högpresterande OECT-enheter baserade på poly(diketopyrrolopyrrole) (PDPP)-typ polymerer som aktiva lager.
De modulerade antalet upprepade enheter av etylenglykol (EG) sidokedjor i PDPP från två till fem och valde meritvärdet som produkten av laddningsbärarens rörlighet och den volymetriska kapacitansen. Deras studie gjordes tillgänglig online i Advanced Materials .
Prof. Yoon talar om logiken bakom genomförandet av denna studie, "Att använda blandade ledare i elektrokemiska transistorer gör det svårt att förvänta sig betydande prestandaförbättringar, även när man tillämpar konventionella mikrostrukturkontrollprocesser."
"Detta beror på den starka intermolekylära sammanhållningen på grund av flexibiliteten och hydrofiliciteten hos sidokedjorna i molekylstrukturen. Vårt nya blandade ledarematerial löser detta problem genom att introducera alkyl-EG hybrid sidokedjestruktur, som kan ge lämplig hydrofobicitet och strukturell stabilitet till molekyl."
I deras studie bekräftade ultraviolett-synlig (UV-vis) absorptionsspektroskopi bildandet av J-aggregat i de tre, fyra och fem EG-polymererna. Dessutom visade cykliska voltammetrimätningar en gradvis minskning av oxidationsstartvärden med en ökning av antalet EG-polymerer.
Dessutom, eftersom elektrokemisk impedansspektroskopi avslöjade liknande volymetriska kapacitansvärden för alla polymerer i den nuvarande PDPP-familjen, använde forskarna laddningsbärarmobilitet för att i första hand särskilja deras prestanda.
OECT-enheten baserad på PDPP-4EG tillverkad via spinngjutning visade optimal prestanda – ett meritvärde på 702 F V -1 cm -1 s -1 , laddningsbärares rörlighet på 6,49 cm 2 V -1 s -1 , och ett transkonduktansvärde på 137,1 S cm -1 .
Svängvärdena för undertröskeln var så låga som 7,1 V dec -1 , och antalet gränssnittsfälltillstånd var endast 1,3 x 10 13 eV -1 cm -2 . Dessutom uppvisade PDPP-4EG också den lägsta graden av energetisk störning och välutvecklade kristallina domäner med den minsta mikrostrukturella störningen.
För att optimera strukturell inriktning längs OECT-kanalen, använde forskarna den enkelriktade flytande filmöverföringsmetoden (UFTM). J-aggregaten genomgick enkelriktad komprimering när polymerfilmen sattes till en hydrofil vätska. UFTM PDPP-4EG filmbaserade OECTs gav ett anmärkningsvärt meritvärde på över 800 F V -1 cm -1 s -1 .
Prof. Yoon, som lyfter fram de långsiktiga konsekvenserna av denna studie, säger:"I eran av artificiell intelligens förväntas neuromorfa enheter utvecklas. Organiska blandade ledare är bland de mest lovande materialen inom detta område, med hög potential för avancemang. Vår forskning är en del av ansträngningarna att övervinna den låga prestandan hos organiska material."
På lång sikt kan utvecklingen av organiska blandade ledare med hög tillförlitlighet appliceras på olika områden, såsom nästa generations bärbara sensorer, datorer och hälsovårdssystem, och på så sätt bidra till att förbättra mänsklig bekvämlighet.
Mer information: Il‐Young Jo et al, Högpresterande organiska elektrokemiska transistorer uppnådda genom optimering av strukturell och energisk ordning av Diketopyrrolopyrrol-baserade polymerer, avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202307402
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Gwangju Institute of Science and Technology
