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Transistor electroquímico orgánico

El transistor electroquímico orgánico ( OECT ) es un dispositivo electrónico orgánico que funciona como un transistor . La corriente que fluye a través del dispositivo está controlada por el intercambio de iones entre un electrolito y el canal OECT compuesto de un conductor o semiconductor orgánico . [1] El intercambio de iones es impulsado por un voltaje aplicado al electrodo de compuerta que está en contacto iónico con el canal a través del electrolito. La migración de iones entre el canal y el electrolito está acompañada por reacciones redox electroquímicas que ocurren en el material del canal. La redox electroquímica del canal junto con la migración de iones cambia la conductividad del canal en un proceso llamado dopaje electroquímico. Los OECT se están explorando para aplicaciones en biosensores , bioelectrónica y electrónica de bajo costo y de área grande. Los OECT también se pueden utilizar como dispositivos de memoria de múltiples bits que imitan las funcionalidades sinápticas del cerebro. Por esta razón, los OECT también se pueden investigar como elementos en aplicaciones de computación neuromórfica.

Construcción y mecanismo de funcionamiento del dispositivo OECT

Los OECT consisten en una película delgada de semiconductor o incluso conductor (el canal), generalmente hecha de un polímero conjugado , que está en contacto directo con un electrolito . [2] Los electrodos de fuente y drenaje establecen contacto eléctrico con el canal, mientras que un electrodo de compuerta establece contacto eléctrico con el electrolito. El electrolito puede ser líquido, gel o sólido. En la configuración de polarización más común, la fuente está conectada a tierra y se aplica un voltaje (voltaje de drenaje) al drenaje. Esto hace que fluya una corriente (corriente de drenaje), debido a la carga electrónica (generalmente agujeros ) presente en el canal. Cuando se aplica un voltaje a la compuerta, los iones del electrolito se inyectan en el canal y cambian la densidad de carga electrónica y, por lo tanto, la corriente de drenaje. Cuando se elimina el voltaje de la compuerta, los iones inyectados regresan al electrolito y la corriente de drenaje vuelve a su valor original. Sin embargo, algunos materiales de canal pueden retener los iones migrados incluso después de eliminar el voltaje de la compuerta, lo que permite su uso como dispositivos de memoria.

Los OECT suelen utilizar PEDOT:PSS como material del canal y funcionan en modo de agotamiento . [3] El semiconductor orgánico PEDOT está dopado de tipo p por los aniones sulfonato presentes en PSS [4] y, por lo tanto, PEDOT:PSS exhibe una alta conductividad electrónica. Cuando no se aplica voltaje de compuerta, fluye una alta corriente de drenaje a través del canal altamente conductivo y se dice que el OECT está en estado ON. Cuando se aplica un voltaje positivo a la compuerta, los cationes del electrolito se inyectan en el canal PEDOT:PSS, donde compensan la carga negativa de los aniones sulfonato. Esto conduce a la reducción electroquímica de PEDOT de su estado oxidado a su estado neutro, lo que resulta en la desdopación del canal OECT. Entonces se dice que el OECT está en estado OFF. [1] También se han descrito OECT en modo acumulación, basados ​​en semiconductores orgánicos intrínsecos (por ejemplo, p(g2T-TT)). [5] [6]

Los OECT son diferentes de los transistores de efecto de campo controlados por electrolito . En este último tipo de dispositivo, los iones no penetran en el canal, sino que se acumulan cerca de su superficie (o cerca de la superficie de una capa dieléctrica, cuando dicha capa se deposita en el canal). [7] Esto induce la acumulación de carga electrónica dentro del canal, cerca de la superficie. Por el contrario, en los OECT, los iones se inyectan en el canal y cambian la densidad de carga electrónica en todo su volumen. Como resultado de este acoplamiento masivo entre carga iónica y electrónica, los OECT muestran una transconductancia muy alta [8] junto con una ganancia intrínseca sobresaliente. [9] La desventaja de los OECT es que son lentos, ya que están limitados por la migración inherentemente lenta de iones dentro y fuera del canal. Sin embargo, los OECT microfabricados muestran tiempos de respuesta del orden de cientos de microsegundos . [10] La simulación precisa de los OECT es posible utilizando el modelo de difusión por deriva. [11]

Los OECT fueron desarrollados por primera vez en los años 80 por el grupo de Mark Wrighton. [12] Actualmente son el foco de un intenso desarrollo para aplicaciones en bioelectrónica , [13] y en electrónica de bajo coste y de gran superficie . [14] Ventajas como la fabricación y miniaturización sencillas, la compatibilidad con técnicas de impresión de bajo coste, [15] [16] la compatibilidad con una amplia gama de soportes mecánicos (incluidas fibras, [17] papel, [18] plástico [19] y elastómero [20] ) y la estabilidad en entornos acuosos, llevaron a su uso en una variedad de aplicaciones en biosensores. [21] [22] Además, su alta transconductancia convierte a los OECT en potentes transductores amplificadores. [23] Los OECT se han utilizado para detectar iones , [24] [25] neurotransmisores , [9] metabolitos , [26] [27] ADN , [28] organismos patógenos , [29] así como para investigar la adhesión celular , [30] medir la integridad del tejido de barrera, [31] detectar actividad epiléptica en ratas, [32] e interactuar con células y tejidos eléctricamente activos. [33] [34] [35]

Enlaces externos

Referencias

  1. ^ ab Bernards, DA; Malliaras, GG (16 de octubre de 2007). "Comportamiento transitorio y en estado estacionario de transistores electroquímicos orgánicos". Materiales funcionales avanzados . 17 (17). Wiley: 3538–3544. doi :10.1002/adfm.200601239. ISSN  1616-301X. S2CID  97447440.
  2. ^ Zeglio, Erica; Inganäs, Olle (2018). "Materiales activos para transistores electroquímicos orgánicos". Materiales avanzados . 30 (44): 1800941. Bibcode :2018AdM....3000941Z. doi :10.1002/adma.201800941. ISSN  1521-4095. PMID  30022545. S2CID  51699034.
  3. ^ Owens, Róisín M.; Malliaras, George G. (2010). "Electrónica orgánica en la interfaz con la biología". Boletín MRS . 35 (6). Cambridge University Press (CUP): 449–456. doi :10.1557/mrs2010.583. ISSN  0883-7694.
  4. ^ A. Elschner, S. Kirchmeyer, W. Lövenich, U. Merker y K. Reuter, en PEDOT, Principios y aplicaciones de un polímero intrínsecamente conductor (CRC Press, 2010), págs. 113-166.
  5. ^ Cho, Jeong Ho; Lee, Jiyoul; Xia, Yu; Kim, BongSoo; He, Yiyong; Renn, Michael J.; Lodge, Timothy P.; Daniel Frisbie, C. (19 de octubre de 2008). "Dieléctricos de compuerta de gel iónico imprimibles para transistores de película delgada de polímero de bajo voltaje sobre plástico". Nature Materials . 7 (11). Springer Nature: 900–906. Bibcode :2008NatMa...7..900C. doi :10.1038/nmat2291. ISSN  1476-1122. PMID  18931674.
  6. ^ Inal, Sahika; Rivnay, Jonathan; Leleux, Pierre; Ferro, Marc; Ramuz, Marc; Brendel, Johannes C.; Schmidt, Martina M.; Thelakkat, Mukundan; Malliaras, George G. (13 de octubre de 2014). "Un transistor electroquímico de modo de acumulación de alta transconductancia". Materiales Avanzados . 26 (44). Wiley: 7450–7455. Código Bib : 2014AdM....26.7450I. doi :10.1002/adma.201403150. ISSN  0935-9648. PMID  25312252. S2CID  205257151.
  7. ^ Kim, Se Hyun; Hong, Kihyon; Xie, Wei; Lee, Keun Hyung; Zhang, Sipei; Lodge, Timothy P.; Frisbie, C. Daniel (2 de diciembre de 2012). "Transistores activados por electrolito para electrónica orgánica e impresa". Materiales avanzados . 25 (13). Wiley: 1822–1846. doi :10.1002/adma.201202790. ISSN  0935-9648. PMID  23203564. S2CID  205247030.
  8. ^ Khodagholy, Dion; Rivnay, Jonathan; Sessolo, Michele; Gurfinkel, Moshe; Leleux, Pierre; et al. (12 de julio de 2013). "Transistores electroquímicos orgánicos de alta transconductancia". Nature Communications . 4 (1). Springer Science and Business Media LLC: 2133. Bibcode :2013NatCo...4.2133K. doi : 10.1038/ncomms3133 . ISSN  2041-1723. PMC 3717497 . PMID  23851620. 
  9. ^ ab Ferro, Letícia MM; Merces, Leandro; de Camargo, Davi HS; Bof Bufon, Carlos C. (2021-07-22). "Quimiosensores orgánicos de transistores electroquímicos de ganancia ultraalta basados ​​en nanomembranas autocurvadas". Materiales avanzados . 33 (29). Wiley: 2101518. Bibcode :2021AdM....3301518F. doi :10.1002/adma.202101518. ISSN  0935-9648. PMID  34061409. S2CID  235269557.
  10. ^ Khodagholy, Dion; Gurfinkel, Moshe; Stavrinidou, Eleni; Leleux, Pierre; Herve, Thierry; Sanaur, Sébastien; Malliaras, George G. (17 de octubre de 2011). "Matrices de transistores electroquímicos orgánicos de alta velocidad y alta densidad". Applied Physics Letters . 99 (16). AIP Publishing: 163304. Bibcode :2011ApPhL..99p3304K. doi : 10.1063/1.3652912 . ISSN  0003-6951.
  11. ^ Szymanski, Marek; Tu, Deyu; Forchheimer, Robert (2017). "Simulación de difusión por deriva en 2-D de transistores electroquímicos orgánicos". IEEE Transactions on Electron Devices . 64 (12): 5114–5120. Bibcode :2017ITED...64.5114S. doi :10.1109/TED.2017.2757766. S2CID  28231599.
  12. ^ White, Henry S.; Kittlesen, Gregg P.; Wrighton, Mark S. (1984). "Derivatización química de una matriz de tres microelectrodos de oro con polipirrol: fabricación de un transistor basado en moléculas". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 106 (18). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 5375–5377. doi :10.1021/ja00330a070. ISSN  0002-7863.
  13. ^ Strakosas, Xenofon; Bongo, Manuelle; Owens, Róisín M. (7 de enero de 2015). "El transistor electroquímico orgánico para aplicaciones biológicas". Revista de ciencia aplicada de polímeros . 132 (15). Wiley: 41735. doi :10.1002/app.41735. ISSN  0021-8995.
  14. ^ Nilsson, D.; Robinson, N.; Berggren, M.; Forchheimer, R. (10 de febrero de 2005). "Circuitos lógicos electroquímicos". Materiales avanzados . 17 (3). Wiley: 353–358. Bibcode :2005AdM....17..353N. doi :10.1002/adma.200401273. ISSN  0935-9648. S2CID  135787001.
  15. ^ D. Nilsson, MX Chen, T. Kugler, T. Remonen, M. Armgarth y M. Berggren, Adv. Madre. 14, 51 (2002).
  16. ^ Basiricò, L.; Cosseddu, P.; Scidà, A.; Fraboni, B.; Malliaras, GG; Bonfiglio, A. (2012). "Características eléctricas de transistores electroquímicos totalmente de polímero impresos por chorro de tinta". Electrónica orgánica . 13 (2). Elsevier BV: 244–248. doi :10.1016/j.orgel.2011.11.010. ISSN  1566-1199.
  17. ^ Hamedi, Mahiar; Forchheimer, Robert; Inganäs, Olle (4 de abril de 2007). "Hacia una lógica tejida a partir de fibras electrónicas orgánicas". Nature Materials . 6 (5). Springer Nature: 357–362. Bibcode :2007NatMa...6..357H. doi :10.1038/nmat1884. ISSN  1476-1122. PMID  17406663.
  18. ^ Nilsson, D (20 de septiembre de 2002). "Un sensor-transistor totalmente orgánico basado en un novedoso concepto de transductor electroquímico impreso en papel". Sensores y actuadores B: Química . 86 (2–3). Elsevier BV: 193–197. doi :10.1016/s0925-4005(02)00170-3. ISSN  0925-4005.
  19. ^ Zhang, Shiming; Hubis, Elizabeth; Girard, Camille; Kumar, Prajwal; DeFranco, John; Cicoira, Fabio (2016). "Estabilidad del agua y patrones ortogonales de transistores microelectroquímicos flexibles sobre plástico". Journal of Materials Chemistry C . 4 (7). Royal Society of Chemistry (RSC): 1382–1385. doi :10.1039/c5tc03664j. ISSN  2050-7526.
  20. ^ Zhang, Shiming; Hubis, Elizabeth; Tomasello, Gaia; Soliveri, Guido; Kumar, Prajwal; Cicoira, Fabio (8 de marzo de 2017). "Modelado de transistores electroquímicos orgánicos estirables". Química de materiales . 29 (7). Sociedad Química Americana (ACS): 3126–3132. doi :10.1021/acs.chemmater.7b00181. ISSN  0897-4756.
  21. ^ Zhang, Shiming; Cicoira, Fabio (2018). "Biosensores flexibles autoalimentados". Nature . 561 (7724). Springer Science and Business Media LLC: 466–467. Código Bibliográfico :2018Natur.561..466Z. doi :10.1038/d41586-018-06788-1. ISSN  0028-0836. PMID  30258144. S2CID  52844636.
  22. ^ Lin, Peng; Yan, Feng (21 de noviembre de 2011). "Transistores orgánicos de película delgada para detección química y biológica". Materiales avanzados . 24 (1). Wiley: 34–51. doi :10.1002/adma.201103334. hdl : 10397/11453 . ISSN  0935-9648. PMID  22102447. S2CID  205242523.
  23. ^ Rivnay, Jonathan; Leleux, Pierre; Sessolo, Michele; Khodagholy, Dion; Hervé, Thierry; Fiocchi, Michel; Malliaras, George G. (2013-10-02). "Transistores electroquímicos orgánicos con máxima transconductancia en polarización de compuerta cero". Materiales avanzados . 25 (48). Wiley: 7010–7014. Bibcode :2013AdM....25.7010R. doi :10.1002/adma.201303080. ISSN  0935-9648. PMID  24123258. S2CID  205251741.
  24. ^ Svensson, Per-Olof; Nilsson, David; Forchheimer, Robert; Berggren, Magnus (17 de noviembre de 2008). "Un circuito sensor que utiliza conmutación de conductancia basada en referencia en transistores electroquímicos orgánicos". Applied Physics Letters . 93 (20). AIP Publishing: 203301. Bibcode :2008ApPhL..93t3301S. doi : 10.1063/1.2975377 . ISSN  0003-6951.
  25. ^ Sessolo, Michele; Rivnay, Jonathan; Bandiello, Enrico; Malliaras, George G.; Bolink, Henk J. (23 de mayo de 2014). "Transistores electroquímicos orgánicos selectivos de iones". Materiales avanzados . 26 (28). Wiley: 4803–4807. Bibcode :2014AdM....26.4803S. doi :10.1002/adma.201400731. ISSN  0935-9648. PMID  24862110. S2CID  205255158.
  26. ^ Zhu, Zheng-Tao; Mabeck, Jeffrey T.; Zhu, Changcheng; Cady, Nathaniel C.; Batt, Carl A.; Malliaras, George G. (2004). "Un transistor simple de poli(3,4-etileno dioxitiofeno)/poli(ácido estirenosulfónico) para la detección de glucosa a pH neutro". Chemical Communications (13). Royal Society of Chemistry (RSC): 1556–1557. doi :10.1039/b403327m. ISSN  1359-7345. PMID  15216378.
  27. ^ Tang, Hao; Yan, Feng; Lin, Peng; Xu, Jianbin; Chan, Helen LW (26 de abril de 2011). "Biosensores de glucosa altamente sensibles basados ​​en transistores electroquímicos orgánicos que utilizan electrodos de compuerta de platino modificados con enzimas y nanomateriales". Materiales funcionales avanzados . 21 (12). Wiley: 2264–2272. doi :10.1002/adfm.201002117. hdl : 10397/33050 . ISSN  1616-301X. S2CID  98742240.
  28. ^ Lin, Peng; Luo, Xiaoteng; Hsing, I-Ming; Yan, Feng (27 de julio de 2011). "Transistores electroquímicos orgánicos integrados en sistemas microfluídicos flexibles y utilizados para detección de ADN sin etiquetas". Materiales avanzados . 23 (35). Wiley: 4035–4040. Bibcode :2011AdM....23.4035L. doi :10.1002/adma.201102017. hdl : 10397/11943 . ISSN  0935-9648. PMID  21793055. S2CID  205241505.
  29. ^ He, Rong-Xiang; Zhang, Meng; Tan, Fei; Leung, Polly HM; Zhao, Xing-Zhong; Chan, Helen LW; Yang, Mo; Yan, Feng (2012). "Detección de bacterias con transistores electroquímicos orgánicos". Revista de Química de Materiales . 22 (41). Royal Society of Chemistry (RSC): 22072. doi :10.1039/c2jm33667g. hdl : 10397/12945 . ISSN  0959-9428.
  30. ^ Lin, Peng; Yan, Feng; Yu, Jinjiang; Chan, Helen LW; Yang, Mo (20 de agosto de 2010). "La aplicación de transistores electroquímicos orgánicos en biosensores basados ​​en células". Materiales avanzados . 22 (33). Wiley: 3655–3660. Bibcode :2010AdM....22.3655L. doi :10.1002/adma.201000971. hdl : 10397/15450 . ISSN  0935-9648. PMID  20661950. S2CID  39442648.
  31. ^ Jimison, Leslie H; Tria, Scherrine A.; Khodagholi, Dion; Gurfinkel, Moshé; Lanzarini, Erica; Hama, Adel; Malliaras, George G.; Owens, Róisín M. (5 de septiembre de 2012). "Medición de la integridad del tejido de barrera con un transistor electroquímico orgánico". Materiales Avanzados . 24 (44). Wiley: 5919–5923. Código Bib : 2012AdM....24.5919J. doi :10.1002/adma.201202612. ISSN  0935-9648. PMID  22949380. S2CID  22510220.
  32. ^ Khodagholy, Dion; Rivnay, Jonathan; Sessolo, Michele; Gurfinkel, Moshe; Leleux, Pierre; Jimison, Leslie H.; Stavrinidou, Eleni; Herve, Thierry; Sanaur, Sébastien; Owens, Róisín M.; Malliaras, George G. (12 de julio de 2013). "Transistores electroquímicos orgánicos de alta transconductancia". Nature Communications . 4 (1). Springer Science and Business Media LLC: 1575. Bibcode :2013NatCo...4.2133K. doi : 10.1038/ncomms3133 . ISSN  2041-1723. PMC 3717497 . PMID  23851620. 
  33. ^ Campana, Alessandra; Cramer, Tobias; Simon, Daniel T.; Berggren, Magnus; Biscarini, Fabio (2014). "Transistores electroquímicos orgánicos: registro electrocardiográfico con transistor electroquímico orgánico conformable fabricado sobre bioandamio reabsorbible". Materiales avanzados . 26 (23). Wiley: 3873. doi : 10.1002/adma.201470165 . ISSN  0935-9648.
  34. ^ Leleux, Pierre; Rivnay, Jonathan; Lonjaret, Thomas; Badier, Jean-Michel; Bénar, Christian; Hervé, Thierry; Chauvel, Patrick; Malliaras, George G. (29 de septiembre de 2014). "Transistores electroquímicos orgánicos para aplicaciones clínicas". Materiales sanitarios avanzados . 4 (1). Wiley: 142–147. doi :10.1002/adhm.201400356. ISSN  2192-2640. PMID  25262967. S2CID  32442448.
  35. ^ Yao, Chunlei; Li, Qianqian; Guo, Jing; Yan, Feng; Hsing, I-Ming (31 de octubre de 2014). "Matrices de transistores electroquímicos orgánicos rígidos y flexibles para monitorear potenciales de acción de células electrogénicas". Materiales avanzados para el cuidado de la salud . 4 (4). Wiley: 528–533. doi :10.1002/adhm.201400406. ISSN  2192-2640. PMID  25358525. S2CID  28927047.