Study of the mixed conduction in PEDOT:PSS-based organic electrochemical transistor

Um dos grandes diferenciais dos materiais semicondutores orgânicos é sua habilidade de suportar, em determinadas situações, transporte eletrônico e iônico simultaneamente. Essa habilidade possibilitou tais condutores mistos a serem aplicados com grande sucesso em dispositivos de interesse biológico. Um exemplo é o transistor eletroquímico orgânico (OECT). Esse dispositivo é formado por uma camada semicondutora orgânica, delimitada por dois eletrodos (fonte e dreno), que forma o canal do transistor. Esta camada fica em contato com uma solução eletrolítica, que contém um eletrodo denominado porta. Durante a operação, aplica-se uma tensão no eletrodo porta, o que induz troca iônica entre o polímero e o eletrólito. Isso altera o estado de dopagem do canal, levando a uma mudança na corrente extraída entre fonte-dreno. Um dos principais pontos de interesse é o de aprimorar o desempenho destes dispositivos, a partir da compreensão das propriedades fundamentais do material do canal, e como ele se comporta na presença de diferentes íons. Para tal estudo, foram confeccionados OECTs com poli(3,4-etileno dioxitiofeno):poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS) como camada ativa. A resposta elétrica e morfológica dos OECTs foi caracterizada utilizando diversos eletrólitos aquosos, com concentração de 100 mM, a saber: NH4Cl, KCl, NaCl, CaCl2 e MgCl2. Os resultados demonstram que íons com menor raio iônico e maior esfera de hidratação resultam em dispositivos com maior fator de mérito (μC*). Uma vez que filmes de PEDOT:PSS absorvem água, analisamos a diferença entre a quantidade de água absorvida para as diferentes espécies iônicas. Os resultados demonstram que a quantidade de água cresce seguindo a mesma ordem do fator de mérito e este aumento é de aproximadamente 100% quando comparamos os resultados extremos. Além disso, realizamos um estudo da capacitância volumétrica em função da espessura do filme, com o intuito de avaliar a influência da espécie iônica na sua profundidade de penetração no volume do canal. Observamos que a capacitância volumétrica decai para espessuras superiores a 800 nm quando utilizamos KCl e superiores a 1200 nm para MgCl2. Deste modo, nossos resultados demonstram que a natureza da espécie iônica tem impacto importante na resposta dos dispositivos. Essa compreensão é indispensável para busca/desenvolvimento de novos materiais para compor a camada ativa do dispositivo e para a compreensão dos mecanismos biológicos.Organic semiconductor materials are able to support both electronic and ionic transport. This ability enabled such mixed conductors to be applied with great success in devices of biological interest. An example is the organic electrochemical transistor (OECT). In a typical OECT, the active channel is placed in contact with an electrolyte solution containing a gate electrode. During operation, application of a gate voltage induces ion exchange between the polymer and the electrolyte. This changes the doping state of the channel, leading to a change in the source-drain current. One of the main points of interest is to improve the performance of these devices, start from the understanding of the fundamental properties of the channel material, and how it operates in the presence of different ions. Here, we produced poly(3,4-ethylene dioxithiophene):sulfonated polystyrene (PEDOT:PSS) - based OECTs. The electrical and morphological properties of the OECTs were characterized using different aqueous electrolytes, with concentration of 100 mM, namely: NH4Cl, KCl, NaCl, CaCl2 and MgCl2. The results demonstrate that ions with a smaller ionic radius and a larger dehydration sphere result in devices with a higher factor of merit (μC*). Once PEDOT:PSS films absorb water, we analyze the difference between the amount of water absorbed for the different ionic species. The results show that the amount of water grows following the same order as the factor of merit and this increase is approximately 100% when we compare the extreme results. Besides that, we carry out a study of the volumetric capacitance as a function of the thickness film, in order to evaluate the influence of the ionic species on its depth of penetration in the volume of the channel. We observe that the volumetric capacitance decreases for thicknesses greater than 800 nm when using KCl and greater than 1200 nm for MgCl2. Thus, our results demonstrate that the nature of the ionic species has an important impact on the response of the devices. This understanding is indispensable for the search/development of new materials to compose the active layer of the device and for the understanding of biological mechanisms