Aug 11, 2023
Transistores eletroquímicos orgânicos verticais para circuitos complementares
Nature volume 613, páginas 496–502 (2023)Cite este artigo 25k Acessos 23 citações 168 Detalhes de métricas altmétricas Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) e circuitos baseados em OECT oferecem excelente
Nature volume 613, páginas 496–502 (2023)Cite este artigo
25 mil acessos
23 citações
168 Altmétrico
Detalhes das métricas
Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) e circuitos baseados em OECT oferecem grande potencial em bioeletrônica, eletrônica vestível e eletrônica neuromórfica artificial devido às suas tensões de acionamento excepcionalmente baixas (<1 V), baixo consumo de energia (<1 µW), altas transcondutâncias (>10 mS) e biocompatibilidade1,2,3,4,5. No entanto, a realização bem-sucedida de OECTs de lógica complementar crítica é atualmente limitada pela instabilidade temporal e/ou operacional, processos redox lentos e/ou comutação, incompatibilidade com integração monolítica de alta densidade e desempenho inferior de OECT do 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 fotopadronizável 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. Esta arquitetura abre muitas possibilidades para estudos fundamentais de química e física redox de semicondutores orgânicos em espaços nanoscopicamente confinados, sem contato macroscópico de eletrólitos, bem como aplicações de dispositivos vestíveis e implantáveis.
Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) são atraentes para bioeletrônica, eletrônica vestível e eletrônica neuromórfica devido à sua baixa tensão de acionamento, baixo consumo de energia, alta transcondutância e fácil integração em plataformas mecanicamente flexíveis . Contudo, novos avanços na OECT enfrentam desafios. (1) Apesar do progresso8, o fraco desempenho do OECT no transporte de elétrons (tipo n) versus seus equivalentes no transporte de buracos (tipo p) (aproximadamente 1.000 vezes menor em transcondutância e/ou densidade de corrente)6,7,12, dificulta o desenvolvimento de lógica complementar e sensibilidade a cátions analitos relevantes in vivo (por exemplo, Na+, K+, Ca2+, Fe3+ e Zn2+) para desenvolvimento de biossensores. (2) A instabilidade temporal e/ou operacional dificulta todas as aplicações possíveis. (3) O desempenho desequilibrado da OECT tipo p e tipo n impede a integração em circuitos complementares . (4) Processos redox lentos levam a mudanças lentas. (5) OECTs convencionais de última geração (cOECTs), com arquiteturas planas de eletrodos de fonte-dreno, requerem pequenos comprimentos de canal (L) de no máximo 10 µm, juntamente com camadas semicondutoras padronizadas com precisão 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 com segurança características ou L maiores que 1 µm (ref. 16) e, embora a impressão e o corte a laser ofereçam fabricação simplificada de cOECT, isso prejudica o desempenho . Além disso, para aumentar o gm, os OECTs normalmente usam filmes semicondutores espessos, comprometendo inevitavelmente as velocidades de comutação porque altos valores de gm requerem troca iônica eficiente entre o eletrólito e o semicondutor a granel . Consequentemente, sem progresso no design de materiais, especialmente para semicondutores do tipo n, e na realização de novas arquiteturas de dispositivos, as aplicações OECT permanecerão de escopo limitado.
Neste relatório, demonstramos OECTs de alto desempenho do tipo p e n e circuitos complementares usando uma arquitetura de dispositivo vertical (OECT vertical, doravante denominada vOECT) prontamente fabricada por evaporação térmica e mascaramento de eletrodos fonte-dreno 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 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- Célula)) 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) descobriu-se que a proporção óptima em peso de polímero semicondutor:Cin-Célula era de 9:2. Uma seção transversal da geometria vOECT e imagens selecionadas de microscopia óptica e eletrônica de varredura (SEM) (Fig. 1c, d) indicam que o comprimento do canal (L) é a espessura da camada semicondutora (aproximadamente 100 nm), as larguras da parte inferior e do eletrodos superiores definem a largura do canal (W) e a profundidade nominal (d) do semicondutor, respectivamente. cOECTs e vOECTs que utilizam polímeros sem cadeias laterais de etilenoglicol condutoras de íons também foram fabricados como controles; seu desempenho é marginal (Extended Data Fig. 2).