Los transistores electroquímicos orgánicos (OECT) han recibido recientemente mucho interés y atención en la comunidad investigadora, no solo por su biocompatibilidad sino también por otras características novedosas como la amplificación de señales iónico-electrónicas y la detección de iones y moléculas.
Para lograr estas características, los semiconductores que comprenden OECT deben poder transportar iones y electrones de manera eficiente. Los materiales conjugados injertados con cadenas de glicol hidrófilas han mostrado niveles deseables de eficiencia y al mismo tiempo son suaves y permiten que los iones penetren a través de sus superficies. Sin embargo, exhiben características semicristalinas imperfectas y fracciones desordenadas cuando se convierten en películas sólidas.
El rendimiento en estado estacionario de los OECT se puede optimizar utilizando el diseño molecular y la alineación estructural juntos para reducir los trastornos energéticos y microestructurales en las películas. Con esta previsión, un grupo de investigadores dirigido por el profesor Myung-Han Yoon del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, ha emprendido recientemente un estudio para crear dispositivos OECT de alto rendimiento basados en polímeros de tipo poli(dicetopirrolopirrol) (PDPP) como capas activas.
Modularon el número de unidades repetidas de cadenas laterales de etilenglicol (EG) en PDPP de dos a cinco y eligieron la figura de mérito como el producto de la movilidad del portador de carga y la capacitancia volumétrica. Su estudio estuvo disponible en línea en Materiales avanzados. .
Hablando sobre el fundamento detrás de la realización de este estudio, el profesor Yoon dice:"El uso de conductores mixtos en transistores electroquímicos hace que sea difícil esperar mejoras significativas en el rendimiento, incluso cuando se aplican procesos de control de microestructura convencionales".
"Esto se debe a la fuerte cohesión intermolecular debido a la flexibilidad y la hidrofilicidad de las cadenas laterales de la estructura molecular. Nuestro nuevo material conductor mixto resuelve este problema mediante la introducción de una estructura de cadena lateral híbrida de alquil-EG, que puede proporcionar una hidrofobicidad y estabilidad estructural adecuadas a las molécula."
En su estudio, la espectroscopía de absorción ultravioleta-visible (UV-vis) confirmó la formación de agregados J en los tres, cuatro y cinco polímeros de EG. Además, las mediciones de voltamperometría cíclica demostraron una disminución gradual en los valores de inicio de oxidación con un aumento en el número de polímeros EG.
Además, dado que la espectroscopia de impedancia electroquímica reveló valores de capacitancia volumétrica similares para todos los polímeros de la actual familia PDPP, los investigadores utilizaron la movilidad de los portadores de carga para distinguir principalmente su rendimiento.
El dispositivo OECT basado en PDPP-4EG fabricado mediante fundición por rotación mostró un rendimiento óptimo:un valor de figura de mérito de 702 F V -1 cm -1 s -1 , movilidad del portacargas de 6,49 cm 2 V -1 s -1 , y un valor de transconductancia de 137,1 S cm -1 .
Los valores de oscilación por debajo del umbral eran tan bajos como 7,1 V dec -1 , y el número de estados de captura de interfaz fue solo 1,3 x 10 13 eV -1 cm -2 . Además, PDPP-4EG también exhibió el grado más bajo de desorden energético y dominios cristalinos bien desarrollados con el menor desorden microestructural.
Para optimizar la alineación estructural a lo largo del canal OECT, los investigadores utilizaron el método de transferencia de película flotante unidireccional (UFTM). Los agregados J sufrieron una compresión unidireccional cuando la película de polímero se añadió a un líquido hidrófilo. Los OECT basados en película UFTM PDPP-4EG arrojaron un notable valor de figura de mérito de más de 800 F V -1 cm -1 s -1 .
Destacando las implicaciones a largo plazo de este estudio, el profesor Yoon afirma:"En la era de la inteligencia artificial, se espera que se desarrollen dispositivos neuromórficos. Los conductores orgánicos mixtos se encuentran entre los materiales más prometedores en este campo, con un alto potencial de avance. Nuestra investigación forma parte de los esfuerzos para superar el bajo rendimiento de los materiales orgánicos."
A largo plazo, el desarrollo de conductores orgánicos mixtos con alta confiabilidad se puede aplicar a diversos campos, como sensores portátiles, computadoras y sistemas de atención médica de próxima generación, contribuyendo así a mejorar la comodidad humana.
Más información: Il‐Young Jo et al, Transistores electroquímicos orgánicos de alto rendimiento logrados mediante la optimización del orden estructural y energético de polímeros basados en dicetopirrolopirrol, materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202307402
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju
