Вертикальные органические электрохимические транзисторы для дополнительных схем

Mar 23, 2023

Nature, том 613, страницы 496–502 (2023 г.) Процитировать эту статью

21 тыс. доступов

10 цитат

168 Альтметрика

Подробности о метриках

Органические электрохимические транзисторы (OECT) и схемы на основе OECT открывают большой потенциал в биоэлектронике, носимой электронике и искусственной нейроморфной электронике из-за их исключительно низкого напряжения возбуждения (<1 В), низкого энергопотребления (<1 мкВт), высокой крутизны (>10). мС) и биосовместимость1,2,3,4,5. Однако успешная реализация критически важной дополнительной логики OECT в настоящее время ограничена временной и/или операционной нестабильностью, медленными окислительно-восстановительными процессами и/или переключением, несовместимостью с монолитной интеграцией высокой плотности и низкой производительностью OECT n-типа6,7,8. Здесь мы демонстрируем вертикальные OECT p- и n-типа со сбалансированными и сверхвысокими характеристиками путем смешивания окислительно-восстановительных полупроводниковых полимеров с редокс-неактивными фотоотверждаемыми и/или фоторисующими полимерами для формирования ионнопроницаемого полупроводникового канала, реализованного в простой, масштабируемая вертикальная архитектура с плотным, непроницаемым верхним контактом. Насколько нам известно, плотность следящего тока превышает 1 кА/см2 при менее ±0,7 В, крутизна 0,2–0,4 С, короткое время переходного процесса менее 1 мс и сверхстабильное переключение (>50 000 циклов). первые вертикально расположенные дополнительные вертикальные логические схемы OECT. Эта архитектура открывает множество возможностей для фундаментальных исследований окислительно-восстановительной химии и физики органических полупроводников в наноскопически ограниченных пространствах, без макроскопического контакта с электролитом, а также для применения в носимых и имплантируемых устройствах.

Органические электрохимические транзисторы (ОЕКТ) привлекательны для биоэлектроники, носимой электроники и нейроморфной электроники из-за их низкого напряжения возбуждения, низкого энергопотребления, высокой крутизны и легкой интеграции в механически гибкие платформы1,2,3,5,9,10,11. Однако дальнейшее продвижение OECT сталкивается с проблемами. (1) Несмотря на прогресс8, плохие характеристики OECT, транспортирующие электроны (n-типа), по сравнению с их аналогами, транспортирующими дырки (p-типа) (примерно в 1000 раз меньшая крутизна и/или плотность тока)6,7,12, препятствуют развитию дополнительная логика и чувствительность к релевантным in vivo катионам аналитов (например, Na+, K+, Ca2+, Fe3+ и Zn2+) для разработки биосенсоров. (2) Временная и/или эксплуатационная нестабильность препятствует всем возможным применениям. (3) Несбалансированные характеристики OECT p-типа и n-типа препятствуют интеграции в дополнительные схемы13,14. (4) Медленные окислительно-восстановительные процессы приводят к вялому переключению. (5) Современные традиционные OECT (coECT), имеющие плоскую архитектуру электродов исток-сток, требуют небольшой длины канала (L), не более 10 мкм, а также полупроводниковых слоев с точным рисунком и покрытий электродов из пассивных материалов; для высокой крутизны (gm) и быстрого переключения (примерно в миллисекундном диапазоне)15, что требует сложных методологий изготовления15,16. Обратите внимание, что традиционная фотолитография может надежно реализовать только элементы или L размером более 1 мкм (ссылка 16), и хотя печать и лазерная резка упрощают изготовление COECT, это происходит за счет производительности17,18,19. Более того, для увеличения gm в OECT обычно используются толстые полупроводниковые пленки, что неизбежно снижает скорость переключения, поскольку высокие значения gm требуют эффективного ионного обмена между электролитом и объемным полупроводником20. Следовательно, без прогресса в разработке материалов, особенно для полупроводников n-типа, и реализации новых архитектур устройств, возможности применения OECT останутся ограниченными.

В этом отчете мы демонстрируем высокопроизводительные OECT p- и n-типа и дополнительные схемы, используя архитектуру вертикального устройства (вертикальный OECT, далее именуемый vOECT), легко изготавливаемую путем термического испарения и маскировки непроницаемых и плотных Au электродов исток-сток и спин-покрытие и фотопаттернирование ионнопроводящего полупроводникового канала. Процесс изготовления vOECT показан на рис. 1а, а подробности можно найти в разделе «Методы». Ключом к этому процессу является использование редокс-активного полупроводникового полимера p-типа (gDPP-g2T) или n-типа (Homo-gDPP), смешанного с окислительно-инертным и фотоотверждаемым полимерным компонентом (полимер циннамат-целлюлозы (Cin-gDPP) Cell)) как канал OECT (см. структуры на рис. 1б, процесс синтеза в разделе «Методы и расширенные данные» на рис. 1). На основании контрольных экспериментов (см. ниже) оптимальное массовое соотношение полупроводниковый полимер:Cin-Cell составило 9:2. Геометрическое сечение vOECT и избранные изображения оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис. 1в, г) показывают, что длина канала (L) равна толщине полупроводникового слоя (около 100 нм), ширине дна и верхние электроды определяют ширину канала (W) и номинальную глубину (d) полупроводника соответственно. В качестве контроля также были изготовлены coECT и vOECT, в которых используются полимеры без боковых цепей этиленгликоля, проводящих ионы; их производительность незначительна (расширенные данные, рис. 2).