Electrolyte-gated organic field-effect transistors based on organic semiconductor: insulating polymer blends

Abstract

La presente tesis doctoral se centra en la fabricación, optimización, caracterización y aplicación de capas activas compuestas de una mezcla de semiconductor orgánico y un polímero aislante (OSC:PS) en transistores orgánicos de efecto de campo (EGOFET) con puerta-electrolítica. El EGOFET esta considerado como una prometedora plataforma de detección en el campo de la bioelectrónica debido a su capacidad de operar en medios electrolíticos. Hasta la fecha, aunque en varios proyectos de investigación se ha demostrado su alto potencial como plataforma de detección, existe algunos problemas que deben resolverse, tales como su baja movilidad del portador de carga, lentos tiempo de respuesta y una degradación rápida que dificultan su aplicación práctica. En este contexto, la tesis se divide en tres bloques, que van desde la fabricación de los dispositivos hasta sus aplicaciones.

La primera parte de la tesis tiene como objetivo la fabricación de dispositivo robustos y eficientes empleando dos estrategias: (i) la optimización de la mezclas de polímero aislante y semiconductor orgánico (OSC) y (ii) el uso de una técnica basada en la deposición de capas activas mediante disolución que recibe el nombre de BAMS (bar assistance meniscus shearing). En la primera parte de la tesis (Capitulo 2), se emplearon cuatro semiconductores orgánicos diferentes en que se incluyen tres pequeñas moléculas y un polímero semiconductor como materiales activos. Los dispositivos se han caracterizado mediante medida electricas (características de transferencia y salida) y su analisis y compresión, la sensibilidad potenciométrica, velocidad de conmutación (tiempo de respuesta) y estabilidad eléctrica en agua MilliQ y soluciones salinas (NaCl).

Además, la segunda parte de la tesis (Capítulo 3) está dedicada al desarrollo de un sensor de iones de mercurio basado la exposición de los capas activas a disoluciones acuosa que contienen iones de mercurio. En este caso, se observó un cambio gradual en el potencial umbral, que era respuesta directa de la concentración de iones a la qual se exponia la capa activa. Además, se realizaron pruebas de microscopía de fuerza de atómica “Kelvin-prove” y espectroscopía electroquímica de impedancia con el objetivó de entender el mecanismo de respuesta frente al mercurio. El cual se relaciono con la oxidación/reducción de los iones Hg2+ y la superficie del semiconductor.

Finalmente, la tercera parte de la tesis (Capítulo 4) se centra en la fabricación de nuevos dispositivo sustituyendo el electrolito por un hidrogel (HYGOFET). Logrando dispositivo de alto rendimiento empleando un hidrogel a base de agua como dieléctrico. Además, el HYGOFET muestra una excelente respuesta a los variación de presión debida a la alineación de los dipolos del agua dentro de la capa de semiconductor. Por lo tanto, el dispositivo se puede visualizar como un prototipo de sensor de presión adaptable a ropa inteligente.

The present Doctoral Thesis is focused on the fabrication, optimization, characterization and application of organic semiconductors:insulating polymer blends for electrolyte-gated organic field-effect transistors (EGOFETs), which are considered a promising sensing platform in the field of bioelectronics due to their ability to operate in common electrolyte media. Up to date, although several research works have already demonstrated the high potential of using EGOFETs as sensing platform, some unsolved problems (i.e. low carrier mobility, slow response time and fast degradation) are actually hindering their practical application. Within this context, the thesis is divided into three main parts, from EGOFET devices fabrication to their applications. The first part of the thesis aims to obtain robust and efficient EGOFETs device based on two overlooked strategies: (i) the exploitation of blends composed by an insulating polymer and an organic semiconductor (OSC) and (ii) the use of a solution-shearing technique, such as bar-assisted meniscus shearing (BAMS), to deposit the OSC:PS blend. In this part (Chapter 2), four OSCs, including three small molecules and one polymer, were selected as active materials for the fabrication of EGOFETs. The four OSC:polymer blends EGOFET devices have been systematically studied by evaluating and comparing their transfer and output characteristics, potentiometric sensitivity, switching speed and their electrical stability properties recorded in MilliQ water and a NaCl solution as electrolyte media. In addition, the second part of the thesis (Chapter 3) is devoted to the development of a mercury ions sensor based on an EGOFETs by systematically exposing the blend films to a mercury ions aqueous solutions. In this case, a gradual positive threshold voltage shift of the electrical characteristics was observed, which was selected as the detection parameter towards mercury ions. Furthermore, Kelvin probe force microscopy and electrochemical impedance spectroscopy tests were carried out to explore the mechanism of the mercury response, which was demonstrated to be related to the redox reaction between Hg2+ ions and the semiconductor surface. Finally, the third part of the thesis (Chapter 4) is focused on the fabrication of a novel EGOFET device, namely a hydrogel-gated organic field-effect transistor (HYGOFET). A high performance HYGOFET device was achieved by replacing the liquid electrolyte with a water-based hydrogel to serve as dielectric layer. Furthermore, the HYGOFET exhibits an excellent response to pressure stimuli due to the alignment of water dipoles within the OSC layer. The device can thus be envisioned as proof of concept device which can be find applications in the field of textile electronic skin.