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Jul 23, 2023

Transistors électrochimiques organiques verticaux pour circuits complémentaires

Nature volume 613, pages 496-502 (2023)Citer cet article 24k Accès 21 Citations 168 Détails Altmetric Metrics Les transistors électrochimiques organiques (OECT) et les circuits basés sur l'OECT offrent une excellente

Nature volume 613, pages 496-502 (2023)Citer cet article

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Les transistors électrochimiques organiques (OECT) et les circuits basés sur l'OECT offrent un grand potentiel en bioélectronique, en électronique portable et en électronique neuromorphique artificielle en raison de leurs tensions de commande exceptionnellement faibles (<1 V), de leur faible consommation d'énergie (<1 µW) et de leurs transconductances élevées (>10 mS) et biocompatibilité1,2,3,4,5. Cependant, la réalisation réussie d’OECT logiques complémentaires critiques est actuellement limitée par une instabilité temporelle et/ou opérationnelle, des processus rédox lents et/ou une commutation, une incompatibilité avec l’intégration monolithique haute densité et des performances OECT de type n inférieures6,7,8. Nous démontrons ici des OECT verticaux de type p et n avec des performances équilibrées et ultra-hautes en mélangeant des polymères semi-conducteurs rédox-actifs avec un polymère photodurcissable et/ou photostructurable rédox-inactif pour former un canal semi-conducteur perméable aux ions, mis en œuvre de manière simple, architecture verticale évolutive dotée d'un contact supérieur dense et imperméable. Des densités de courant d'empreinte supérieures à 1 kA cm−2 à moins de ±0,7 V, des transconductances de 0,2 à 0,4 S, des temps transitoires courts de moins de 1 ms et une commutation ultra-stable (> 50 000 cycles) sont obtenus, à notre connaissance, dans le premiers circuits logiques OECT verticaux complémentaires empilés verticalement. Cette architecture ouvre de nombreuses possibilités pour les études fondamentales de la chimie et de la physique rédox des semi-conducteurs organiques dans des espaces nanoscopiquement confinés, sans contact macroscopique avec l'électrolyte, ainsi que pour les applications de dispositifs portables et implantables.

Les transistors électrochimiques organiques (OECT) sont attrayants pour la bioélectronique, l'électronique portable et l'électronique neuromorphique en raison de leur faible tension de commande, de leur faible consommation d'énergie, de leur transconductance élevée et de leur intégration facile dans des plates-formes mécaniquement flexibles1,2,3,5,9,10,11. Cependant, les progrès ultérieurs de l’OECT se heurtent à des défis. (1) Malgré les progrès8, les mauvaises performances des OECT de transport d'électrons (type n) par rapport à leurs homologues de transport de trous (type p) (transconductance et/ou densité de courant environ 1 000 fois inférieures)6,7,12, entravent le développement de logique complémentaire et sensibilité aux cations analytes pertinents in vivo (par exemple, Na+, K+, Ca2+, Fe3+ et Zn2+) pour le développement de biocapteurs. (2) L'instabilité temporelle et/ou opérationnelle rend difficile toutes les applications possibles. (3) Les performances OECT déséquilibrées de type p et de type n empêchent l’intégration dans des circuits complémentaires13,14. (4) Les processus redox lents conduisent à une commutation lente. (5) Les OECT conventionnels de pointe (cOECT), ayant des architectures d'électrodes source-drain planaires, nécessitent de petites longueurs de canal (L) d'au plus 10 µm, ainsi que des couches semi-conductrices à motifs précis et des revêtements d'électrode avec des matériaux passifs, pour une transconductance élevée (gm) et une commutation rapide (de l'ordre de la milliseconde environ)15, nécessitant des méthodologies de fabrication complexes15,16. Notez que la photolithographie conventionnelle ne peut réaliser de manière fiable que des caractéristiques ou L supérieures à 1 µm (réf. 16), et bien que l'impression et la découpe laser offrent une fabrication cOECT simplifiée, cela se fait au détriment des performances17,18,19. De plus, pour augmenter le gm, les OECT utilisent généralement des films semi-conducteurs épais, compromettant inévitablement les vitesses de commutation car des valeurs de gm élevées nécessitent un échange d'ions efficace entre l'électrolyte et le semi-conducteur massif20. Par conséquent, sans progrès dans la conception des matériaux, en particulier pour les semi-conducteurs de type n, et sans la réalisation de nouvelles architectures de dispositifs, les applications OECT resteront limitées.

Dans ce rapport, nous démontrons des OECT de type p et n hautes performances et des circuits complémentaires en utilisant une architecture de dispositif verticale (OECT verticale, ci-après appelée vOECT) facilement fabriquée par évaporation thermique et masquage d'électrodes source-drain Au imperméables et denses et revêtement par rotation et photostructuration d'un canal semi-conducteur conducteur d'ions. Le processus de fabrication de vOECT est illustré sur la figure 1a et les détails peuvent être trouvés dans les méthodes. La clé de ce processus est l'utilisation d'un polymère semi-conducteur rédox-actif de type p (gDPP-g2T) ou de type n (Homo-gDPP) mélangé à un composant polymère rédox-inerte et photodurcissable (polymère cinnamate-cellulose (Cin- Cell)) comme canal OECT (voir les structures sur la figure 1b, le processus de synthèse dans les méthodes et données étendues, figure 1). Sur la base des expériences de contrôle (voir ci-dessous), le rapport pondéral optimal polymère semi-conducteur : Cin-Cell s'est avéré être de 9 : 2. Une coupe transversale de la géométrie vOECT et des images sélectionnées en microscopie optique et électronique à balayage (MEB) (Fig. 1c, d) indiquent que la longueur du canal (L) correspond à l'épaisseur de la couche semi-conductrice (environ 100 nm), aux largeurs du fond et du les électrodes supérieures définissent respectivement la largeur du canal (W) et la profondeur nominale (d) du semi-conducteur. Des cOECT et des vOECT utilisant des polymères sans chaînes latérales d'éthylène glycol conductrices d'ions ont également été fabriqués à titre de contrôles ; leurs performances sont marginales (Extended Data Fig. 2).