Les transistors électrochimiques organiques (OECT) ont récemment suscité beaucoup d'intérêt et d'attention dans la communauté des chercheurs, non seulement pour leur biocompatibilité mais aussi pour d'autres caractéristiques nouvelles telles que l'amplification des signaux ioniques-électroniques et la détection d'ions et de molécules.
Pour atteindre ces caractéristiques, les semi-conducteurs comprenant des OECT doivent être capables de transporter efficacement à la fois les ions et les électrons. Les matériaux conjugués greffés avec des chaînes de glycol hydrophiles ont montré des niveaux d'efficacité souhaitables tout en étant doux et permettant aux ions de pénétrer à travers leurs surfaces. Cependant, ils présentent des caractéristiques semi-cristallines imparfaites et des fractions désordonnées lorsqu'ils sont convertis en films solides.
Les performances à l'état stable des OECT peuvent être optimisées en utilisant à la fois la conception moléculaire et l'alignement structurel pour réduire les désordres énergétiques et microstructuraux dans les films. Fort de cette réflexion, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Myung-Han Yoon de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju, en Corée, a récemment entrepris une étude visant à créer des dispositifs OECT hautes performances basés sur des polymères de type poly(dicétopyrrolopyrrole) (PDPP) comme calques actifs.
Ils ont modulé le nombre d'unités répétitives de chaînes latérales d'éthylène glycol (EG) dans le PDPP de deux à cinq et ont choisi le facteur de mérite comme produit de la mobilité des porteurs de charge et de la capacité volumétrique. Leur étude a été mise en ligne dans Advanced Materials. .
Parlant de la raison derrière la réalisation de cette étude, le professeur Yoon déclare :"L'utilisation de conducteurs mixtes dans les transistors électrochimiques rend difficile l'attente d'améliorations significatives des performances, même en appliquant des processus de contrôle de microstructure conventionnels."
"Cela est dû à la forte cohésion intermoléculaire due à la flexibilité et au caractère hydrophile des chaînes latérales de la structure moléculaire. Notre nouveau matériau conducteur mixte résout ce problème en introduisant une structure de chaîne latérale hybride alkyle-EG, qui peut fournir une hydrophobicité et une stabilité structurelle appropriées au molécule."
Dans leur étude, la spectroscopie d'absorption ultraviolette-visible (UV-vis) a confirmé la formation d'agrégats J dans les polymères trois, quatre et cinq EG. De plus, les mesures de voltamétrie cyclique ont démontré une diminution progressive des valeurs de début d'oxydation avec une augmentation du nombre de polymères EG.
De plus, étant donné que la spectroscopie d'impédance électrochimique a révélé des valeurs de capacité volumétrique similaires pour tous les polymères de la famille PDPP actuelle, les chercheurs ont utilisé la mobilité des porteurs de charge pour distinguer principalement leurs performances.
Le dispositif OECT basé sur PDPP-4EG fabriqué par moulage par rotation a montré des performances optimales :une valeur de mérite de 702 F V -1 cm -1 s -1 , mobilité du porteur de charge de 6,49 cm 2 V -1 s -1 , et une valeur de transconductance de 137,1 S cm -1 .
Les valeurs d'oscillation sous-seuil étaient aussi basses que 7,1 V déc -1 , et le nombre d'états d'interruption d'interface n'était que de 1,3 x 10 13 eV -1 cm -2 . De plus, PDPP-4EG présentait également le plus faible degré de désordre énergétique et des domaines cristallins bien développés avec le moins de désordre microstructural.
Pour optimiser l'alignement structurel le long du canal OECT, les chercheurs ont utilisé la méthode de transfert unidirectionnel de film flottant (UFTM). Les agrégats J ont subi une compression unidirectionnelle lorsque le film polymère a été ajouté à un liquide hydrophile. Les OECT à base de film UFTM PDPP-4EG ont donné une valeur de mérite remarquable de plus de 800 F V -1 cm -1 s -1 .
Soulignant les implications à long terme de cette étude, le professeur Yoon déclare :« À l'ère de l'intelligence artificielle, des dispositifs neuromorphiques devraient être développés. Les conducteurs mixtes organiques comptent parmi les matériaux les plus prometteurs dans ce domaine, avec un fort potentiel d'avancement. Nos recherches s'inscrivent dans le cadre des efforts visant à surmonter les faibles performances des matériaux organiques."
À long terme, le développement de conducteurs mixtes organiques à haute fiabilité peut être appliqué à divers domaines, tels que les capteurs portables de nouvelle génération, les ordinateurs et les systèmes de soins de santé, contribuant ainsi à l'amélioration du confort humain.
Plus d'informations : Il‐Young Jo et al, Transistors électrochimiques organiques haute performance obtenus en optimisant l'ordre structurel et énergétique des polymères à base de diketopyrrolopyrrole, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202307402
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Gwangju
