Transistori elettrochimici organici verticali per circuiti complementari

Mar 23, 2023

Natura volume 613, pagine 496–502 (2023) Citare questo articolo

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I transistor elettrochimici organici (OECT) e i circuiti basati su OECT offrono un grande potenziale in bioelettronica, elettronica indossabile ed elettronica neuromorfica artificiale grazie alle loro tensioni di pilotaggio eccezionalmente basse (<1 V), basso consumo energetico (<1 µW), elevate transconduttanze (>10 mS) e biocompatibilità1,2,3,4,5. Tuttavia, la riuscita realizzazione di OECT critici a logica complementare è attualmente limitata da instabilità temporale e/o operativa, processi redox lenti e/o commutazione, incompatibilità con l'integrazione monolitica ad alta densità e prestazioni OECT di tipo n inferiori6,7,8. Qui dimostriamo OECT verticali di tipo p e n con prestazioni bilanciate e ultra elevate miscelando polimeri semiconduttori redox-attivi con un polimero fotoindurente e/o fotomodellabile redox-inattivo per formare un canale semiconduttore permeabile agli ioni, implementato in modo semplice, architettura verticale scalabile che ha un contatto superiore denso e impermeabile. Densità di corrente di impronta superiori a 1 kA cm−2 a meno di ±0,7 V, transconduttanze di 0,2–0,4 S, brevi tempi transitori inferiori a 1 ms e commutazione ultrastabile (>50.000 cicli) si ottengono, per quanto ne sappiamo, primi circuiti logici OECT verticali complementari impilati verticalmente. Questa architettura apre molte possibilità per studi fondamentali sulla chimica e sulla fisica redox dei semiconduttori organici in spazi nanoscopicamente confinati, senza contatto elettrolitico macroscopico, nonché per applicazioni di dispositivi indossabili e impiantabili.

I transistor elettrochimici organici (OECT) sono interessanti per la bioelettronica, l'elettronica indossabile e l'elettronica neuromorfica grazie alla loro bassa tensione di pilotaggio, basso consumo energetico, elevata transconduttanza e facile integrazione in piattaforme meccanicamente flessibili1,2,3,5,9,10,11. Tuttavia, ulteriori progressi dell’OECT devono affrontare sfide. (1) Nonostante i progressi8, le scarse prestazioni degli OECT nel trasporto di elettroni (tipo n) rispetto alle loro controparti nel trasporto di lacune (tipo p) (transconduttanza e/o densità di corrente circa 1.000 volte inferiori)6,7,12, ostacolano lo sviluppo di logica complementare e sensibilità ai cationi analiti rilevanti in vivo (ad esempio Na+, K+, Ca2+, Fe3+ e Zn2+) per lo sviluppo di biosensori. (2) L'instabilità temporale e/o operativa ostacola tutte le possibili applicazioni. (3) Le prestazioni sbilanciate degli OECT di tipo p e di tipo n impediscono l'integrazione in circuiti complementari13,14. (4) I processi redox lenti portano a una commutazione lenta. (5) Gli OECT convenzionali all'avanguardia (cOECT), con architetture planari degli elettrodi source-drain, richiedono piccole lunghezze di canale (L) al massimo di 10 µm, insieme a strati semiconduttori modellati con precisione e rivestimenti degli elettrodi con materiali passivi, per elevata transconduttanza (gm) e commutazione rapida (nell'ordine dei millisecondi)15, che richiedono metodologie di fabbricazione complesse15,16. Si noti che la fotolitografia convenzionale può realizzare in modo affidabile solo caratteristiche o L maggiori di 1 µm (rif. 16) e sebbene la stampa e il taglio laser offrano una fabbricazione cOECT semplificata, ciò va a scapito delle prestazioni17,18,19. Inoltre, per aumentare i gm, gli OECT utilizzano tipicamente film semiconduttori spessi, compromettendo inevitabilmente le velocità di commutazione poiché valori gm elevati richiedono uno scambio ionico efficiente tra l’elettrolita e il semiconduttore sfuso20. Di conseguenza, senza progressi nella progettazione dei materiali, in particolare per i semiconduttori di tipo n, e senza la realizzazione di nuove architetture di dispositivi, le applicazioni OECT rimarranno di portata limitata.

In questo rapporto, dimostriamo OECT di tipo p e n ad alte prestazioni e circuiti complementari utilizzando un'architettura del dispositivo verticale (OECT verticale, di seguito denominata vOECT) facilmente fabbricata mediante evaporazione termica e mascheramento di elettrodi source-drain Au impermeabili e densi e spin-coating e fotopatterning di un canale semiconduttore a conduzione ionica. Il processo di fabbricazione vOECT è illustrato in Fig. 1a e i dettagli possono essere trovati nei Metodi. La chiave di questo processo è l'uso di un polimero semiconduttore di tipo p (gDPP-g2T) o di tipo n (Homo-gDPP) con attività redox miscelato con un componente polimerico inerte e fotoindurente (polimero cinnamato-cellulosico (Cin- Cell)) come canale OECT (vedere le strutture in Fig. 1b, il processo di sintesi in Metodi e dati estesi Fig. 1). Sulla base degli esperimenti di controllo (vedi infra) il rapporto in peso ottimale polimero semiconduttore:Cin-Cell è risultato essere 9:2. Una sezione trasversale della geometria vOECT e immagini selezionate di microscopia ottica ed elettronica a scansione (SEM) (Fig. 1c, d) indicano che la lunghezza del canale (L) è lo spessore dello strato semiconduttore (circa 100 nm), le larghezze del fondo e il gli elettrodi superiori definiscono rispettivamente la larghezza del canale (W) e la profondità nominale (d) del semiconduttore. Anche i cOECT e i vOECT che utilizzano polimeri senza catene laterali di glicole etilenico conduttori di ioni sono stati fabbricati come controlli; la loro performance è marginale (Dati Estesi Fig. 2).