Eine Salzlösung für bessere Bioelektronik
Ein wasserstabiler Dotierstoff verbessert und stabilisiert die Leistung von elektronenübertragenden organischen elektrochemischen Transistoren
Dotierung wird häufig zur Leistungsverbesserung in Halbleiterbauelementen eingesetzt, war jedoch bisher nicht erfolgreich für elektronentransportierende oder n-Typ, organische elektronische Materialien. Ein von KAUST entwickelter Ansatz verwendet nun einen Dotierstoff, ein Additiv, das die elektronische Leistung und Wasserstabilität eines halbleitenden n-Typ-Polymers erhöht, um die ersten wasserstabilen n-dotierten, organischen elektrochemischen Transistoren, die als OECTs bekannt sind, herzustellen.
Ein KAUST-Team hat eine einfache Technik gewählt, bei der das Ammoniumsalz Tetra-n-butylammoniumfluorid als n-Dotierstoff und das konjugierte Polymer P-90 als gemischter Leiter verwendet wird.
© 2020 KAUST; Heno Hwang
Organische elektrochemische Transistoren bestehen aus kunststoffgemischten Leiter-aktiven Halbleiterschichten, die ionische und elektronische Ladungen gleichzeitig leiten. Diese Mischleiter ermöglichen es den OECTs, ionische Signale in Elektrolyten und biologischen Flüssigkeiten in elektronische Signale umzuwandeln. Die Leistung organischer n-Typ-Halbleiter hinkt jedoch hinter der ihrer lochtransportierenden Gegenstücke in Umgebungen hinterher, die von biologischen Systemen diktiert werden, was ein Haupthindernis für die Entwicklung von Logikschaltungen und Transistor-Arrays darstellt.
Zu den derzeitigen Methoden zur Verbesserung der elektronischen Eigenschaften von OECTs gehört die Synthese neuer kunststoffgemischter Leiter. Ein KAUST-Team hat eine einfache Technik gewählt, bei der das Ammoniumsalz Tetra-n-butylammoniumfluorid als n-Dotierstoff und das konjugierte Polymer P-90, das Naphthalin- und Thiopheneinheiten enthält, als Mischleiter verwendet wird. Das Team löste den Dotierstoff und den Halbleiter in zwei getrennten Lösungen auf und vereinigte sie dann. "Diese Technik kann in jedem Labor angewendet werden, ohne Chemiker oder Spezialist zu sein", sagt die ehemalige KAUST-Postdoc Alexandra Paterson, die die Studie unter der Mentorschaft von Sahika Inal leitete.
Die Forscher entdeckten, dass eine wirksame n-Dotierung von der Trennung des Ammoniumkations von seinem Fluoridanion abhängt. Das Salz überträgt das Fluoridanion auf das Polymer, um ein fluoriertes P-90-Radikal und ein P-90-Anionenradikal zu erzeugen. Die resultierenden delokalisierten und ungepaarten Elektronen verbessern die elektrochemische Dotierung in den OECTs.
Das Salz wirkte auch als Morphologieadditiv, indem es die Oberflächentextur reduziert und glättet, wodurch sich Aggregate auf dem Polymerfilm bilden, was den Ladungstransport im Film erleichtert.
"Die Doppelrolle des Salzes beeinflusst sowohl die elektronischen als auch die ionischen Aspekte der Mischleitung", erklärt Paterson.
Die Forscher testeten die Betriebsstabilität der OECTs in Luft und Wasser sowie ihre Haltbarkeit bei Lagerung in biologischen Medien. "Die OECTs und die n-Doping-Mechanismen sind extrem stabil", sagt Paterson. Dies ist ein großer Erfolg, denn während die untersuchten Polymere so konzipiert sind, dass sie stabil sind, sind n-Typ-Dotierungen unter elektrochemischen Betriebsbedingungen, insbesondere in Luft und wässrigen Lösungen, in der Regel instabil.
Das Team arbeitet nun daran, die lange Haltbarkeit und Betriebsstabilität dieser n-dotierten OECTs für bioelektronische Anwendungen wie Glukosesensoren und enzymatische Brennstoffzellen zu nutzen. Sie evaluieren auch mögliche Anwendungen für die Überwachung der Ionenkanalaktivität in Zellen und bauen mikroskalige Kationensensoren der nächsten Generation.
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