Eumelanin Films for Organic Bioelectronics: Growth, Charge Transport, and Interaction with Metal Electrodes

Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux souples à conduction ionique et électronique mixte. Ces propriétés sont exploitées dans la bioélectronique organique, un nouveau champ de recherche à l'interface de l'électronique et de la biologie qui vise à fournir les connaissances et la technologie pour des applications telles que les biocapteurs, la livraison de médicaments et la stimulation neuronale. Outre les matériaux électroniques organiques qui ont été bien caractérisés à des fins d'applications de diodes électroluminescentes organiques et de cellules solaires, les chercheurs dans le domaine de la bioélectronique organiques explorent l'utilisation des matériaux électroniques biomoléculaires. La recherche de matériaux biomoléculaires est motivée par ses bénéfices potentiels en biocompatibilité et en biodégradabilité, essentiels pour des applications à l'interface avec des systèmes vivants. Sur un plan plus général,les matériaux électroniques biomoléculaires pourraient éventuellement être utilisés pour la conception de systèmes électroniques plus écologiques. L'eumélanine, un matériau biomoléculaire, a été considéré comme un semi-conducteur amorphe depuis les années 1970. L'eumélanine est un pigment omniprésent dans la flore et la faune. Il possède de nombreuses fonctions dans le corps humain: la protection UV, le piégeage des radicaux libres, la chélation des ions métalliques, et la thermorégulation. L'eumélanine a une structure électronique moléculaire de type pi-conjugué qui se caractérise par son haut degré de désordre énergétique et structurel. Il y a différents types d'eumélanine et ils se distinguent par leurs structures moléculaires et supramoléculaires, lesquelles dépendent des conditions de (bio-)synthèse. Par exemple, les pastilles de poudre pressée d'eumélanine possèdent une conductivité et photoconductivité activée thermiquement. Cependant, contrairement aux semi-conducteurs organiques typiques, la conductivité des pastilles d'eumélanine augmente drastiquement avec l'hydratation. Bien que la mobilité des ions dans l'eumélanine ait été rapportée, le modèle de semi-conducteur amorphe est le modèle prévalent dans la communauté scientifique depuis quatre décennies et il est encore utilisé pour interpréter les propriétés électriques de l'eumélanine. Pendant le travail qui a mené à cette thèse, une nouvelle étude sur les pastilles d'eumélanine a été publiée démontrant que ce modèle ne peut pas décrire correctement la conductivité de l'eumélanine en fonction de l'hydratation. Cette étude suggère plutôt que l'eumélanine est un conducteur ionique-électronique mixte. Cela souligne la nécessité de réexaminer les propriétés électriques de l'eumélanine et renforce l'intérêt d'utiliser l'eumélanine comme matériau de base dans la bioélectronique organique. L'intégration d'eumélanine dans des dispositifs est facilitée par les récents progrès dans la préparation de couches minces d'eumélanine.

Abstract

Organic semiconductors are mechanically soft materials and generally exhibit mixed ionic and electronic conduction. These properties are exploited in organic bioelectronics, a new field of research at the interface of electronics and biology that aims at providing knowledge and technology required for applications such as biosensing, drug delivery, and neuronal stimulation. In addition to well-characterized organic electronic materials already used in organic light-emitting diodes and solar cells, researchers in the field of organic bioelectronics are exploring the use of biomolecular electronic materials. The search for suitable biomolecular materials is motivated by potential benefits such as biocompatibility and biodegradability,for applications at the interface with living systems. On a more general level, biomolecular electronic materials are relevant because they could lead to more environmentally friendly electronics. The biomolecular material eumelanin has been considered to be an amorphous semiconductor since the 1970's. Eumelanin is a pigment ubiquitous in flora and fauna and has many functions in the human body including UV-protection, free radical scavenging, metal ion chelation, and hermoregulation. Eumelanin has a conjugated backbone and is characterized by a high degree of energetic and structural disorder. Different types of eumelanin can be distinguished according to their (bio-)synthetic origin, resulting in different molecular and supramolecular structures. Pressed powder pellets of eumelanin show thermally activated conductivity and photoconductivity. However, in contrast to typical organic semiconductors,the conductivity of eumelanin pellets strongly increases with hydration. Although there are reports about mobile ions in eumelanin, the amorphous semiconductor model prevailed and was used to interpret the electrical properties of eumelanin during the last four decades. During the work for this thesis, a new study on eumelanin pellets was published showing that this model cannot correctly describe the hydration-dependent conductivity of eumelanin. Instead,the work suggests that eumelanin is a mixed ionic-electronic conductor. This report underlines the need to reinvestigate the electrical properties of eumelanin and reinforces the recent interest in eumelanin as a material for organic bioelectronics. The integration of eumelanin in device structures has been facilitated by the recent progress in the preparation of eumelanin thin films. Indeed, first attempts to employ eumelanin in chemical sensors and batteries have been reported. However, the properties of eumelanin thin films are far from being fully characterized. In particular, the electrical properties of hydrated films are largely unexplored.