دانلود رایگان مقاله بهینه سازی ترانزیستورهای الکتروشیمیایی ارگانیک

چکیده

       علی رغم توجهات اخیر به ترانزیستورهای الکتروشیمیایی ارگانیک (OECTs) به عنوان سنسورهای بیولوژیکی و شیمیایی، دانش اندکی درمورد نقشی که پارامترهای مواد و معماری در مشخص کردن عملکرد سنسور بازی می کنند، وجود دارد. ما از مدل سازی عددی برای برقراری قوانین طراحی در دو رژیم عملیاتی استفاده می کنیم. یافتیم که برای عملیات به صورت یک مبدل یون به الکترون، پاسخ OECT با استفاده از یک الکترود گیت که بسیار بزرگتر از کانال می باشد یا با استفاده از الکترود گیت قطبش ناپذیر، حداکثر شده است. بهبود رسانایی پلیمر و استفاده  از یک هندسه ی کانال که عرض و ضخامت کانال را بیشینه و طول کانال را کمینه می کند، به افزایش پاسخ کمک می نماید. برای عملیات به صورت سنسور الکتروشیمیایی، حساسیت در OECTs با الکترودهای گیتی که کوچکتر از کانال هایشان هستند، حداکثر می شود. حساسیت می تواند با افزایش تحرک حامل شارژ و ظرفیت به ازای هر واحد سطحِ پلیمر رسانا و همچنین توانایی آن برای مورد نفوذ قرار گرفتن از طرف یون های الکترولیت، بهبود یابد. یک هندسه ی کانال که عرض کانال را حداکثر و طول کانال را حداقل کند نیز حساسیت را بهبود می بخشد.

دیباچه

        در دو دهه ی گذشته، نیمه رساناهای ارگانیک توجه بسیاری را به خاطر کاربردهای بالقوه در فناوری های الکترونیک کم هزینه ی متعددی جلب کرده اند. یکی از روندهای اخیر در این حوزه شامل استفاده از دستگاه های نیمه رسانای ارگانیک در کاربردهای سنسوری است. ترانزیستورهای الکترومشیمیایی ارگانیک در این حوزه از توجه خاصی بر خوردار هستند (OECTs به عنوان ترانزیستورهای پلیمر رسانا نیز شناخته می شوند). در ابتدا بوسیله ی رایتون و همکارانش در دهه ی هشتاد گزارش داده شد که این دستگاه ها توجهی جدید را به خود جذب کرده اند، به طور خاص همانند سنسورها برای شناسایی تحلیل های بیولوژیکی و شیمیایی. یک OECT متشکل از کانال پلیمر رسانا در تماس با یک الکترولیت که دارای الکترود گیت غرق شده در آن می باشد، می شود (شکل 1).

        پولی (3,4-ethylenedioxythiophene) که با پولی دوپ شده است (styrene sulfonate)، یک نیمه رسانای ارگانیک نوع p است که با افزودن ناخالصی فاسد شده است، به عنوان یک پلیمر رسانا برای انتخاب در OECTs ظهور کرده است. این مسئله به خاطر در دسترس بودن تجاری PEDOT:PSS است، می تواند در لایه های نازک محلول پردازش شود، این موضوع لایه هایی که در محدوده ی وسیع pH پایدار هستند را نتیجه می دهد و دارای رسانایی بالایی می باشد که اجازه ی تولید نه تنها کانال بلکه همچنین منبع، تخلیه و الکترودهای گیت از ماده ای یکسان را می دهد. OECTs در ولتاژ پایین عمل می کند که آنها را با شناسایی در محیط های آبگین سازگار می نماید. آنها می توانند با کانال های میکرو سیالی در راهی ساده مینیاتوریزه و ادغام شوند که آنها را گزینه هایی نوید بخش برای کاربردهای آزمایشگاه روی یک تراشه می کند. در نهایت، مدارهای ساده ای که شرایط سیگنال را فراهم کرده و حساسیت را بهبود می بخشند، می توانند ساخته شوند.

        OECTs به عنوان مبدل یون به الکترون استفاده شده است: کاربرد ولتاژ گیت مثبت یک جریان گذرای یونی را در الکترولیت القا می کند. کاتیون های الکترولیت وارد پلیمر رسانا می شوند و عمل افزودن ناخالصی به آن را جبران می کند (شکل 1). بدین ترتیب جریان تخلیه را کاهش می دهد. بنابراین، OECT یک جریان یونی گذرا را به تغییری در جریان تخلیه (الکترولیت) تبدیل می کند. نیلسون (Nilsson) و همکارانش از این ویژگی برای نشان دادن یک سنسور رطوبت هوا استفاده کرده اند. این دستگاه از نافیون (یک رسانای پروتون که رسانایی آن وابسته به رطوبت است) به عنوان یک الکترولیت بهره می برند. برنارد (Bernards) و همکارانش از عضویت دولایه ی لیپید با کانال های یون گرامیسیدین استفاده کردند تا به طور گزینشی انتقال یون های یک ظرفیتی از طریق کانال های یون را بررسی کنند.

        OECTs به عنوان سنسورهای الکتروشیمیایی نیز استفاده شده اند: واکنش های انتقال شارژ بین گونه ها در الکترولیت و الکترود گیت باعث می شود تا پتانسیل الکترولیت تغییر کند. این امر منتج به تغییر در جریان تخلیه می شود. زو (Zhu) و همکارانش از این حقیقت برای نشان دادن سنسور ساده ی گلوکز استفاده کردند. آنها آنزیم اکسیداز گلوکز (GOx) را در الکترولیت OECT با الکترود گیت پلاتینیوم استفاده کردند و نشان دادند هنگامی که گلوکز وجود داشته باشد، جریان تخلیه وابستگی به تمرکز گلوکز داشت. مکانیزم سنجش بر مبنای این حقیقت بود که آب اکسیژنه ی تولید شده به عنوان چرخه ی GOx در الکترود گیت با اکسیژن ترکیب شده است. ابن نتیجه بوسیله ی یانگ (Yang) و همکارانش گسترش داده شد. یانگ از آنزیم های اکسایش مختلفی در نشان دادن این مسئله که این مقهوم می تواند برای حاصل کردن سنسورهای چند تحلیله تعمیم داده شود، استفاده کرد. سیکوریا (Cicoira) و همکارانش OECTs صفحه ای با تناسب های مختلف کانال به سطح الکترود گیت تولید کردند. آنها توانایی این دستگاه ها را با سنجش آب اکسیژنه مقایسه کردند و یافتند که OECTs با گیت های کوچکتر، حساسیت بالاتری را نشان داده اند.

         اگر چه که پیشرفت چشم گیری در فهم مکانیزمِ عملیاتی OECTs حاصل شده اما دستورالعمل های جامعی برای بهینه سازی آنها در سنسورها وجود ندارد. برای مثال تصور کردن بهینه بودن معماری های مختلف دستگاه در زمان استفاده ی یک OECT به عنوان یک مبدل یون به الکترون یا به عنوان یک سنسور الکترومکانیکی ساده است. علاوه بر این، دانش کمی درباره ی نقشی که پارامترهای مواد مانند رسانایی پلیمر در شناسایی پاسخ سنسور بازی می کنند وجود دارد. در این مقاله، از مدل سازی عددی برای بررسی وابستگی خصوصیات نسبی OECT به هندسه ی دستگاه  استفاده می کنیم. یافتیم که برای عملیات به عنوان یک مبدل یون به الکترون، اولین قانون طراحی، استفاده از یک الکترود گیتی است که نسبت به کانال بسیار بزرگتر باشد یا استفاده از الکترود گیت قطبش ناپذیر است. دومین قانون طراحی، بهینه سازی کردن خاصیت رسانایی کانال است. این موضوع استفاده از هندسه ای که عرض کانال را حداکثر و طول کانال را حداقل می کند را ملزوم می سازد. برای عملیات به صورت سنسور الکترومکانیکی، OECTs با الکترودهای گیت کوچکتر از کانال هایشان، حساسیت بیشتری را نشان می دهند. حساسیت آنها می تواند بوسیله ی بهبود پارامترهای موادِ پلیمر رسانا مانند تحرک حفره ی آن و ظرفیت به ازای هر واحد سطح، و توانایی یون های الکترولیت برای ورود به لایه ی پلیمر افزایش پیدا کند. هندسه ای که عرض کانال را حداکثر و طول کانال را حداقل می کند نیز حساسیت را بهبود می بخشد.

OECTs به صورت مبدل های الکترون به یون

          آزمایش فرضی در این رژیم به صورت پیش رو خواهد بود: یک ماده که نسبت به یون ها غیر قابل نفوذ است و از جبران عمل دوپینگِ پلیمر رسانا، جلوگیری می کنند و در بالای کانال ترانزیستور قرار داده می شود. اکنون اجازه دهید تا فرض کنیم نفوذپذیری این تغییرات مواد نتیجه ای از این برهم کنش با یک آنالیت است. این مسئله امکان دسترسی یون ها از الکترولیت به پلیمر را می دهد. در این آزمایش، ممکن است که یک ولتاژ گیت به کار گرفته شود و تغییرات در جریان تخلیه مورد جستجو قرار گیرد. نفوذپذیری افزایش یافته ی  مواد بمجرد بر هم کنش با آنالیت بوسیله ی مدولاسیون، جریان به صورت آشکارا تخلیه خواهد شد و بوسیله ی کاربرد ولتاژ گیت القا می شود. در این آزمایش، تغییر بیشینه ی جریان تخلیه (Id) در کاربرد ولتاژ گیت (Vg) مورد جستجو قرار خواهد گرفت، در نتیجه پاسخ مبدل متناسب با ترارسانایی @Id/@Vg است. 

          شبیه سازی های عددی را برای فهم چگونگی تغییر @Id/@Vg با هندسه ی دستگاه، بر مبنای برنارد و همکارانش (Bernard) در نظر گرفته ایم، همان طور که بخش تجربی طراحی شده است. مشخصات انتقال سه OECTs با 100  (که در آن   سطح کانال و Ag سطح الکترودهای گیت است) در شکل 2 نشان داده می شود. ترانزیستور با گیت کوچک ( Ach/Ag ¼ 100 ) ، مدولاسیون کمی برای جریان تخلیه نشان می دهد و در تمام محدوده ی بایاس استفاده شده ی گیت در حالت روشن باقی می ماند. در مقابل، ترانزیستور با گیت بزرگ بالاترین مدولاسیون جریان تخلیه و در نتیجه @Id/ @Vg  را نشان می دهد و بنابراین مناسبترین گزینه برای استفاده به صورت مبدل یون به الکترون می باشد.

ABSTRACT

         Despite the recent interest in organic electrochemical transistors (OECTs) as chemical and biological sensors, little is known about the role that device architecture and materials parameters play in determining sensor performance. We use numerical modeling to establish design rules in two regimes of operation: We find that for operation as an ion-to-electron converter, the response of OECTs is maximized through the use of a gate electrode that is much larger than the channel or through the use of a nonpolarizable gate electrode. Improving the conductivity of the polymer and using a channel geometry that maximizes channel width and thickness, and minimizes channel length helps increase the response. For operation as an electrochemical sensor, the sensitivity is maximized in OECTs with gate electrodes that are smaller than their channels. The sensitivity can be improved by increasing the charge carrier mobility and the capacitance per unit area of the conducting polymer, and also its ability to be penetrated by ions from the electrolyte. A channel geometry that maximizes channel width and minimizes channel length also improves sensitivity.

INTRODUCTION

         During the past two decades organic semiconductors have attracted a great deal of attention due to potential applications in a variety of low-cost electronic technologies.1–3 A recent trend in the field involves the use of organic semiconductor devices in sensor applications.4,5 Of particular interest in this arena are organic electrochemical transistors (OECTs, also known as conducting polymer transistors). First reported by Wrighton and coworkers6 in the eighties, these devices are receiving renewed attention,7–12 in particular as sensors for the detection of chemical and biological analytes. An OECT consists of a conducting polymer channel in contact with an electrolyte that has the gate electrode immersed in it (Fig. 1).

       Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), a degenerately doped p-type organic semiconductor, has emerged as the conducting polymer of choice in OECTs. This is because PEDOT:PSS is commercially available, can be processed into thin films from solution, yields films that are stable in a wide pH range, and has a high conductivity that allows the fabrication of not only the channel, but also the source, drain, and gate electrodes from the same material.13,14 OECTs operate at low voltages, which makes them compatible with detection in aqueous environments. They can be miniaturized and integrated with microfluidic channels in a straightforward manner,12,15 which makes them promising candidates for lab-on-a-chip applications. Finally, simple circuits can be built that condition the signal and improve sensitivity.

         OECTs have been used as ion-to-electron converters: The application of a positive gate voltage induces a transient ionic current in the electrolyte. Cations from the electrolyte enter the conducting polymer film and de-dope it (Fig. 1), thereby decreasing the drain current. Therefore, the OECT converts a transient ionic current into a change in the (electronic) drain current. Nilsson et al.9 used this attribute to demonstrate an air humidity sensor. The device utilized Nafion—a proton conductor whose conductivity depends on humidity—as an electrolyte. Bernards et al.10 used lipid bilayer membranes with gramicidin ion channels to selectively probe the transport of monovalent ions through the ion channels.

         OECTs have also been used as electrochemical sensors: Charge transfer reactions between a species in the electrolyte and the gate electrode change the potential of the electrolyte, which results to a change in the drain current. Zhu et al.8 used this fact to demonstrate a simple glucose sensor. They added the enzyme glucose oxidase (GOx) in the electrolyte of an OECT with a platinum gate electrode and showed that, in the presence of glucose, the drain current was dependent on the glucose concentration. The sensing mechanism was based on the fact that hydrogen peroxide, produced as a result of the GOx cycle, is oxidized at the gate electrode. This result was extended by Yang et al.12 who used different redox enzymes to demonstrate that this concept can be generalized to yield multianalyte sensors. Cicoira et al.17 fabricated planar OECTs with various ratios of channel to gate electrode area. They compared their ability to sense hydrogen peroxide and found that OECTs with smaller gates showed a higher sensitivity.

          Although a great deal of progress has been made in understanding the mechanism of operation of OECTs,11,18,19 comprehensive guidelines for their optimization in sensors are lacking. It is easy to imagine, for example, that different device architectures are optimal when using an OECT as an ion-to-electron converter or as an electrochemical sensor. Moreover, little is known about the role of materials parameters, such as conductivity of the polymer, play in determining sensor response. In this article, we use numerical modeling to explore the dependence of the relevant OECT characteristics on device geometry. We find that for operation as an ion-to-electron converter, the first design rule is to use a gate electrode that is much larger than the channel or to use a nonpolarizable gate electrode. The second design rule is to optimize the conductance of the channel, which necessitates the use of a geometry that maximizes channel width and minimizes channel length. For operation as an electrochemical sensor, OECTs with gate electrodes smaller than their channels show higher sensitivity. Their sensitivity can be increased by improving materials parameters of the conducting polymer such as its hole mobility and capacitance per unit area, and the ability of ions from the electrolyte to enter the polymer film. A geometry that maximizes channel width and minimizes channel length also can improve sensitivity.

OECTs AS ION-TO-ELECTRON CONVERTERS

       A ‘‘thought’’ experiment in this regime would be as follows: A substance that is impermeable to ions and prevents the de-doping of the conducting polymer is placed on top of the transistor channel. Now let us assume that the permeability of this substance changes as a result of its interaction with an analyte, allowing access of ions from the electrolyte to the polymer. In this experiment, one would apply a gate voltage and look for changes in the drain current. The increased permeability of the barrier substance upon interaction with the analyte will be revealed by a modulation of the drain current, induced by the application of the gate voltage. In this experiment one would seek to maximize the change of the drain current (Id) upon the application of a gate voltage (Vg), hence the response of the transducer is related to the transconductance @Id/@Vg.

       To understand how @Id/@Vg varies with device geometry, we conducted numerical simulations according to Bernards et al.,11,19 as outlined in the experimental part. The transfer characteristics of three OECTs with Ach/Ag ¼ 0.01, 1, and 100 (where Ach is the area of the channel and Ag is the area of the gate electrode) are shown in Figure 2. The transistor with the small gate (Ach/Ag ¼ 100) shows little modulation of the drain current and it stays in the ON state throughout the range of gate applied bias. On the contrary, the transistor with the large gate (Ach/Ag ¼ 0.01) shows the highest modulation of the drain current, hence, the highest value of @Id/ @Vg, and therefore would be the most suitable to use as an ion-to-electron converter.

چکیده

دیباچه

OECTs به صورت مبدل های الکترون به یون

OECTs به صورت سنسورهای الکتروشیمیایی

نتیجه گیری

تجربی

مدل سازی

تولید

منابع

ABSTRACT

INTRODUCTION

OECTs AS ION-TO-ELECTRON CONVERTERS

OECTs AS ELECTROCHEMICAL SENSORS

CONCLUSIONS

EXPERIMENTAL

Modeling

Fabrication

REFERENCES AND NOTES