Вертикальные органические электрохимические транзисторы для дополнительных схем

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).

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>