Os transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) têm recebido recentemente muito interesse e atenção na comunidade de pesquisa, não apenas por sua biocompatibilidade, mas também por outras características inovadoras, como a amplificação de sinais iônico-eletrônicos e a detecção de íons e moléculas.



Para atingir essas características, os semicondutores que compreendem OECTs devem ser capazes de transportar íons e elétrons de forma eficiente. Materiais conjugados enxertados com cadeias de glicol hidrofílicas mostraram níveis desejáveis ​​de eficiência, ao mesmo tempo que são macios e permitem que os íons permeiem através de suas superfícies. No entanto, apresentam características semicristalinas imperfeitas e frações desordenadas quando convertidos em filmes sólidos.

O desempenho em estado estacionário dos OECTs pode ser otimizado usando o design molecular e o alinhamento estrutural juntos para reduzir os distúrbios energéticos e microestruturais nos filmes. Com esta premeditação, um grupo de pesquisadores liderado pelo Professor Myung-Han Yoon do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, na Coréia, realizou recentemente um estudo para criar dispositivos OECT de alto desempenho baseados em polímeros do tipo poli(dicetopirrolopirrole) (PDPP) como camadas ativas.

Eles modularam o número de unidades repetidas das cadeias laterais do etilenoglicol (EG) no PDPP de dois para cinco e escolheram a figura de mérito como o produto da mobilidade do portador de carga e da capacitância volumétrica. O estudo foi disponibilizado on-line em Materiais Avançados .

Falando sobre a lógica por trás da realização deste estudo, o Prof. Yoon diz:"O uso de condutores mistos em transistores eletroquímicos torna difícil esperar melhorias significativas de desempenho, mesmo quando se aplicam processos convencionais de controle de microestrutura."

"Isso se deve à forte coesão intermolecular devido à flexibilidade e hidrofilicidade das cadeias laterais da estrutura molecular. Nosso novo material condutor misto resolve esse problema introduzindo uma estrutura de cadeia lateral híbrida alquil-EG, que pode fornecer hidrofobicidade apropriada e estabilidade estrutural ao molécula."

Em seu estudo, a espectroscopia de absorção ultravioleta-visível (UV-vis) confirmou a formação de agregados J nos três, quatro e cinco polímeros EG. Além disso, as medições de voltametria cíclica demonstraram uma diminuição gradual nos valores de início de oxidação com um aumento no número de polímeros EG.

Além disso, como a espectroscopia de impedância eletroquímica revelou valores de capacitância volumétrica semelhantes para todos os polímeros da atual família PDPP, os pesquisadores utilizaram a mobilidade dos portadores de carga para distinguir principalmente seu desempenho.

O dispositivo OECT baseado em PDPP-4EG fabricado via spin casting apresentou desempenho ideal - um valor de mérito de 702 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 , carregue a mobilidade da portadora de 6,49 cm ² V ^-1 s ^-1 , e um valor de transcondutância de 137,1 S cm ^-1 .

Os valores de oscilação sublimiar foram tão baixos quanto 7,1 V dec ^-1 , e o número de estados de interceptação da interface era de apenas 1,3 x 10 ¹³ eV ^-1 cm ^-2 . Além disso, o PDPP-4EG também exibiu o menor grau de desordem energética e domínios cristalinos bem desenvolvidos com a menor desordem microestrutural.

Para otimizar o alinhamento estrutural ao longo do canal OECT, os pesquisadores utilizaram o método de transferência de filme flutuante unidirecional (UFTM). Os agregados J sofreram compressão unidirecional quando o filme polimérico foi adicionado a um líquido hidrofílico. Os OECTs baseados em filme UFTM PDPP-4EG produziram um notável valor de mérito de mais de 800 F V ^-1 cm ^-1 s ^-1 .

Destacando as implicações de longo prazo deste estudo, o Prof. Yoon diz:"Na era da inteligência artificial, espera-se que dispositivos neuromórficos sejam desenvolvidos. Os condutores mistos orgânicos estão entre os materiais mais promissores neste campo, com alto potencial de avanço. Nossa pesquisa faz parte dos esforços para superar o baixo desempenho dos materiais orgânicos."

A longo prazo, o desenvolvimento de condutores mistos orgânicos com alta confiabilidade pode ser aplicado a vários campos, como sensores vestíveis de próxima geração, computadores e sistemas de saúde, contribuindo assim para a melhoria da conveniência humana.

Mais informações: Il-Young Jo et al, Transistores eletroquímicos orgânicos de alto desempenho alcançados pela otimização do ordenamento estrutural e energético de polímeros à base de dicetopirrolopirrol, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202307402
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju