Transistores eletroquímicos orgânicos verticais para circuitos complementares

Nature volume 613, páginas 496–502 (2023) Citar este artigo

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Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) e circuitos baseados em OECT oferecem grande potencial em bioeletrônica, eletrônicos vestíveis e eletrônicos neuromórficos artificiais por causa de suas tensões de condução excepcionalmente baixas (<1 V), baixo consumo de energia (<1 µW), alta transcondutância (>10 mS) e biocompatibilidade1,2,3,4,5. No entanto, a realização bem-sucedida de OECTs de lógica complementar crítica é atualmente limitada por instabilidade temporal e/ou operacional, processos redox lentos e/ou comutação, incompatibilidade com integração monolítica de alta densidade e desempenho inferior de OECT 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 fotopatternável 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. Essa arquitetura abre muitas possibilidades para estudos fundamentais de química e física redox de semicondutores orgânicos em espaços nanoscopicamente confinados, sem contato de eletrólito macroscópico, bem como aplicações de dispositivos vestíveis e implantáveis.

Transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) são atraentes para bioeletrônica, eletrônica vestível e eletrônica neuromórfica por causa de sua baixa tensão de condução, baixo consumo de energia, alta transcondutância e fácil integração em plataformas mecanicamente flexíveis1,2,3,5,9,10,11. No entanto, outros avanços OECT enfrentam desafios. (1) Apesar do progresso8, o fraco desempenho da OECT de transporte de elétrons (tipo n) versus suas contrapartes de transporte de buracos (tipo p) (aproximadamente 1.000 vezes menor transcondutância e/ou densidade de corrente)6,7,12, dificulta o desenvolvimento de lógica complementar e sensibilidade para cátions de analito relevantes in vivo (por exemplo, Na+, K+, Ca2+, Fe3+ e Zn2+) para o desenvolvimento de biossensores. (2) A instabilidade temporal e/ou operacional impede todas as aplicações possíveis. (3) O desempenho OECT tipo p e tipo n desbalanceado impede a integração em circuitos complementares13,14. (4) Processos redox lentos levam a comutação lenta. (5) OECTs convencionais de última geração (cOECTs), com arquiteturas planares de eletrodos fonte-drenagem, requerem pequenos comprimentos de canal (L) de no máximo 10 µm, juntamente com camadas semicondutoras precisamente padronizadas 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 recursos de forma confiável ou L maiores que 1 µm (ref. 16) e, embora a impressão e o corte a laser ofereçam fabricação simplificada de COECT, isso ocorre às custas do desempenho17,18,19. Além disso, para aumentar o gm, os OECTs normalmente usam filmes semicondutores espessos, comprometendo inevitavelmente as velocidades de comutação porque valores altos de gm requerem troca iônica eficiente entre o eletrólito e o semicondutor em massa20. Consequentemente, sem progresso no design de materiais, particularmente para semicondutores do tipo n, e a realização de novas arquiteturas de dispositivos, as aplicações OECT permanecerão limitadas em escopo.

Neste relatório, demonstramos OECTs tipo p e n de alto desempenho e circuitos complementares usando uma arquitetura de dispositivo vertical (OECT vertical, doravante denominada vOECT) prontamente fabricada por evaporação térmica e mascaramento de eletrodos dreno-fonte 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 os 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- Cell)) 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) verificou-se que a proporção de peso polímero semicondutor óptima:Cin-Célula era de 9:2. Uma seção transversal da geometria vOECT e imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) selecionadas (Fig. 1c,d) indicam que o comprimento do canal (L) é a espessura da camada semicondutora (aproximadamente 100 nm), as larguras do fundo e o os eletrodos superiores definem a largura do canal (W) e a profundidade nominal (d) do semicondutor, respectivamente. COECTs e VOECTs que usam polímeros sem cadeias laterais de etilenoglicol condutoras de íons também foram fabricados como controles; seu desempenho é marginal (Dados Estendidos Fig. 2).

107 A cm−2) if the channel were only few nanometres thick, as in typical electrical double-layer transistors. (4) Finally, devices based on very hydrophobic blends, which do not support ion intercalation across the nanoscopic interface, are non-functional (vide supra, Extended Data Fig. 2c)./p>+0.4 V), and the limited electrochemical window of the aqueous electrolyte prevents the application of large VG biases. This is one of the key limitations of current n-type cOECTs39 and it is where drain-induced barrier lowering plays a key role in the n-type vOECT performance enhancement seen here. Common issues of short channel transistors, such as loss of saturation40, VT roll-off and reduced current modulation22, which are equally as important, are absent in the vOECTs (Fig. 2 and Extended Data Fig. 7c,d). This result is possible only if the redox processes modulate the carrier concentration of the entire semiconducting layer2,41. The low SS of approximately 60 mV per decade measured for both vOECTs (Fig. 2b,d) provides more convincing proof of the extremely effective gating in the present vertical architecture. Furthermore, unlike cOECTs in which the region with SS approximately 60 mV per decade, if achieved, is narrow (Extended Data Fig. 4g,h), the present vOECTs have a very wide subthreshold region (0.0 ≈ −0.2 V for gDPP-g2T and +0.3 ≈ +0.6 V for Homo-gDPP) with SS near or equalling the approximately 60 mV per decade thermal limit. The wide subthreshold region is particularly useful for applications in which high voltage gain and low power consumption are vital42,43./p>