Study of ion transport in organic electrochemical transistors (OECTs) for highly efficient bioelectronics interfaces

La Bioelettronica studia l’integrazione fra dispositivi elettronici e sistemi biologici. Data la necessità di tradurre i segnali biologici in correnti elettriche, la Bioelettronica ha tratto grande beneficio dalla ricerca sui polimeri conduttivi come PEDOT:PSS. Questo materiale dimostra ottime qualità in termini di biocompatibilità, conducibilità, stabilità chimica e termica. I Transistor Elettrochimici Organici sono una delle applicazioni più promettenti del PEDOT:PSS. Sebbene gli OECT vengano impiegati con successo come sensori di impedenza grazie alle intrinseche proprietà di amplificazione, la dinamica del trasporto ionico che influenza la sensibilità del dispositivo richiede ulteriore ricerca. In questa tesi, abbiamo studiato come i potenziali applicati e la frequenza di funzionamento modifichino la distribuzione spaziale della corrente ionica nel canale semiconduttivo. Abbiamo ottenuto una descrizione quantitativa del processo attraverso il calcolo sistematico della frazione di corrente che scorre verso il terminale di source, f_OECT. Il dispositivo studiato è caratterizzato da una geometria di W = 300 μm, L =100 μm, una mobilità di lacune di μ ≈ (2.78 ± 0.07) cm^2 V^−1 s^−1 e una capacità volumetrica di C∗ = (36 ± 4) F cm^−3. Abbiamo studiato il dispositivo in un range di frequenze di f = [10; 10^5] Hz, trovando che f_OECT → 1/2 per f > 10 kHz, dove il trasporto ionico è limitato alla corrente di spostamento all’interfaccia PEDOT:PSS-elettrolita. Alle basse frequenze, fOECT è una funzione non banale dei potenziali DC di gate e di drain. In questo regime, la mobilità ionica nel PEDOT:PSS è abbastanza grande da permettere una distribuzione della carica lungo il canale, che altera lo stato di dragaggio del polimero e la conducibilità locale. Infine, abbiamo misurato i valori più grandi di f_OECT quando il source (o il drain) risultano completamente svuotati di cationi: condizione a cui corrispondono le correnti elettroniche maggiori.