ترانزیستور الکتروشیمیایی پلیمری

تاثیر وزن مولکولی بر عملکرد ترانزیستور الکتروشیمیایی آلی پلیمرهای مزدوج نردبان

ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی (OECT) نویدبخش توسعه انواع دستگاه ها و مدارهای الکترونیکی (زیستی) با عملکرد بالا هستند. از آنجا که OECT ها بر مبنای نیمه هادی های نوع p پیشرفت فوق العاده ای در سال های اخیر به دست آورده اند، OECT های نو هنوز از عملکرد پایین رنج می ‌برند که مانع از توسعه دستگاه های الکترونیک کم مصرف می شود. در اینجا، تنظیم دقیق وزن مولکولی پلیمر سفت و نردبانی پلی بنزیمیدازو بنزوفنترولین (BBL) نوع n تنها با یک مرحله توسعه (از4.9 تا 51 کیلو دالتون) توسعه OECT های نوع n با رکورد بالای هدایت انتقالی با هندسه نرمال و تحرک الکترون × ظرفیت حجمی، پاسخ موقت سریع و ولتاژ آستانه پایین نشان داده شده است. این افزایش در عملکرد OECT به انتقال شارژ بهتر بین مولکولی نسبت داده می شود در BBL با وزن مولکولی بالا، در مقایسه با همتایانش با وزن مولکولی پایین نسبت داده می شود. اینورترهای مکمل مبتنی بر OECT نیز بسته به ولتاژ تغذیه، با افزایش ولتاژ بی سابقه تا 100 ولت و مصرف برق بسیار کم تا 0.32 نانووات نشان داده شده اند. این دستگاه ها یکی از بهترین اینورترهای مکمل زیر 1 ولتی هستند که تا به امروز گزارش شده اند. این یافته ها اهمیت وزن مولکولی را در بهینه سازی عملکرد OECT در رساناهای یونی-الکترونیکی مخلوط آلی صلب نشان داده و راه را برای توسعه نسل جدیدی از دستگاه های الکترونیکی آلی (زیستی) با انرژی کارآمد باز می کند.

رساناهای یونی-الکترونیکی مخلوط آلی (OMIEC) یک فناوری مواد در حال ظهوربرای بسیاری از برنامه های (اپتو) الکترونیکی و تخلیه یا ذخیره انرژی هستند. در OMIEC ها، ارتباط قوی بین یون ها و الکترون ها ذخیره سازی بهینه بار و انتقال سیگنال را امکان پذیر می کند. به همین دلیل، OMIEC ها در ساخت نمایشگرهای الکتروکرومیک، سلول های الکتروشیمیایی ساطع نور، ابرخازن ها، باتری ها، حسگرها، ترموالکتریک ها، و محرک ها کاربرد دارند. در صورتی که به عنوان مواد کانال فعال در ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی (OECT) استفاده شوند، OMIEC ها به این دستگاه ها با انتقال رسانش بالا، ولتاژ کم و چگالی جریان بالا القا می شوند. این مشخصه ها OECT ها را به یک فناوری امیدوارکننده برای سنجش شیمیایی و بیولوژیکی، تشخیص پزشکی، مدارهای قابل چاپ در مقیاس بزرگ و محاسبات نورومورفیک تبدیل کرده اند. در OECT، استفاده از ولتاژ گیت (VG) نفوذ یون ها از الکترولیت به لایه کانال OMIEC امکان پذیر می سازد. پس از آن بار در کل لایه OMIEC با تغییرات زیادی در جریان منبع تخلیه (ID) انباشته یا کاسته می شود. این شارژ یا تخلیه حجمی در لایه OMIEC باعث می شود مکانیسم عملکرد OECT ها بسیار متفاوت از ترانزیستورهای اثر میدان آلی سنتی (OFET) باشد که در آن شارژ می شود و در آن، تجمع و یا تخلیه در رابط نیمه هادی - دی الکتریک محدود است. ارقام به دست آمده تعیین کننده کارایی این انتقال یون به الکترون هستند که هدایت انتقالی و نتیجه حاصل از تحرک حامل بار و ظرفیت حجمی را نشان می دهند که با توجه به معادله زیر با رژیم اشباع ارتباط متقابل دارد:

در این معادله، L به معنای طول کانال؛ W به معنای عرض کانال؛ d به معنای ضخامت فیلم؛ μ به معنای تحرک حامل بار؛ C* به معنای ظرفیت حجمی و Vth نیز به معنای ولتاژ آستانه هستند. همانطور که gm به حجم مواد کانال OECT بستگی دارد، هدایت انتقالی با هندسه نرمال اغلب برای مقایسه عملکرد OMIEC های مختلف استفاده می شود.

نتایج

با توجه به بخش الف از شکل زیر، BBL با واکنش چند تراکمی نفتالن تترا کربوکسیلیک دی آنیدرید 1،4،5،8 (NDA) و تترا آمینوبنزن تترا هیدروکلراید 1،2،4،5 (TABH) در پلی اسید فسفریک (PPA) در دمای بال سنتز شد.

شکل 1:

با کنترل زمان واکنش پلی تراکم، BBL با وزن مولکولی (Mv) مختلف و ویسکوزیته متوسط از 4.89، 20.0، 32.8 و 50.8 کیلو دالتون را به دست آوردیم. با توجه به میزان Mv، واحدهای تکراری آنها در بخش ب از شکل بالا به ترتیب 15، 60، 98 و 152 محاسبه شد. با این حال، از این پس به ترتیب از آنها به عنوان BBL₁₅، BBL₆₀، BBL₉₈ و BBL₁₅₂ نام می بریم. صرف نظر از Mv، این BBL ها حلالیت خوبی در متان سولفونیک اسید (MSA) دارند و می توانند بر روی بسترهای مختلف (مانند طلا، سیلیکون، شیشه و حتی پلی اتیلن ترفتالات) برای تشکیل لایه های نازک با ضخامت حدود 20 تا 200 نانومتر ریخته گری شوند. با کنترل غلظت محلول BBL-MSA (از 1.40 تا 7.75 میلی گرم بر میلی لیتر) و نحوه پوشش چرخشی (1000 دور در دقیقه به مدت 1 دقیقه روی بسترهای شیشه ای)، ضخامت فیلم BBL را می توان با دقت تا 20.2-1.6 نانومتر برای BBL₁₅، 19.9-1.3 نانومتر برای BBL₆₀، 20.2-1.4 نانومتر برای BBL₉₈ و 20.1-1.2 نانومتر برای BBL₁₅₂ تنظیم کرد. مطابق با بخش ج از شکل بالا، طیف Uv نشان می دهد که همه پلیمرهای BBL دارای دو پیک جذب هستند: پیک اول در طول موج‌ های کوتاه‌ تر (300 تا 400 نانومتر) که به انتقال n-π* نسبت داده می شود و پیک دوم در طول موج های بلندتر (400 تا 800 نانومتر) که به انتقال π-π* نسبت داده می شود. نسبت شدت هر دو پیک افزایش می ‌یابد و مرکز پیک دوم با افزایش تعداد واحدهای تکراری تغییر می‌ کند که نشان می‌ دهد با افزایش وزن مولکولی طول کونژوگه مؤثر افزایش می‌ یابد. تمام پلیمرهای BBL دارای λonset قابل مقایسه در حدود 716 نانومتر هستند که نشان دهنده باندهای نوری مشابه است. همانطور که توسط ولتامتری چرخه ای (CV) اندازه گیری شد، کمترین سطح انرژی مدار مولکولی اشغال نشده حدود 4.38 ولت تخمین زده می شود که با توجه به شکل یک، مستقل از وزن مولکولی است.

در اینجا، ما تأثیر وزن مولکولی بر خواص انتقال بار و عملکرد OECT در پلیمر BBL نردبانی را مورد بررسی قرار دادیم. همچنین بیان کردیم که افزایش وزن مولکولی با یک مرتبه افزایش (از 4.9 به 51 کیلو دالتون) باعث ایجاد OECT های نوع n با gm,norm رکورد بالا و μC* می شود. این بهبود عملکرد OECT به تعامل قوی و بلورینگی بالای π-π نسبت داده می شود. با بهبود انتقال بار بین مولکولی، OECT های گزارش شده از پاسخ گذرا سریع (0.38 میلی ثانیه) و ولتاژ آستانه پایین (0.15 ولت) برخوردار هستند. با ترکیب OECT های با پایه BBL با بهترین عملکرد با OECT های نوع p با پایه P(g₄2T-T)، اینورترهای مکمل OECT با بهره ولتاژ بالا (بیش از 100 ولت) و مصرف برق بسیار کم (تا 0.32 نانووات) را بسته به ولتاژ تغذیه مورد بررسی قرار دادیم. همچنین، این دستگاه ها از جمله اینورترهای مکمل زیر 1 ولت با بهترین عملکرد در اینجا بیان شده اند. این مطالعه یک استراتژی طراحی مولکولی با هدف بهینه‌ سازی عملکرد OECT در پلیمرهای OMIEC سفت و سخت ارائه داده و راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌ های الکترونیکی آلی (زیستی) کم مصرف را باز می‌ کند.