Organic Transistors Making Use of Room Temperature Ionic Liquids as Gating Medium

La capacité de transport ionique et électronique des couches minces organiques semiconductrices et conductrices est particulièrement intéressante dans le domaine de l'électronique imprimable et flexible. L'incorporation d'un électrolyte en tant que milieu de grille dans les transistors organiques (Transistors EG), permet de moduler le courant en plusieurs ordres de grandeur à une tension relativement basse (<2 V) grâce à la capacitance exceptionnelle de l'interface du canal/électrolyte, déterminée par les faibles épaisseurs de la double couche électrique qui se forme à l'interface électrolyte/couche mince organique. Les liquides ioniques, soit des sels fondus à des températures inférieures à 100 °C, sont intéressants pour leur grande stabilité électrochimique (leur fenêtre de stabilité s'étend jusqu'à 5 V) et leur bonne conductivité ionique (1-15 mS cm-1). La principale motivation derrière le présent travail est de démontrer un fonctionnement à faible tension des transistors organiques en faisant usage des liquides ioniques, en tant que milieu de grille. Tout d'abord, nous avons établi l'importance de la nature et morphologie de l'électrode de grille sur la performance des transistors électrochimiques. L'utilisation de carbone actif à haute aire de surface comme électrode de grille limite des processus électrochimiques indésirables à l'interface électrolyte/grille et rend inutile la présence d'une électrode de référence pour contrôler le potentiel du canal. Ceci a été démontré en utilisant des électrodes de grille en carbone actif, le polymère semiconducteur MEH-PPV comme matériel du canal et le liquide ionique [EMIM][TFSI] en tant que milieu de grille. L'utilisation de carbone actif avec une aire de surface non-limitative en termes de sa capacité à fournir la charge nécessaire pour moduler la conductivité du canal du transistor, a entraîné un voltage d'opération en dessous de 1 V et une mobilité des porteurs charge de (1,0 ± 0,5) × 10-2 cm2V-1s-1. Un défi dans le domaine des transistors électrochimiques est d'améliorer le temps de réponse, qui est une conséquence du temps nécessaire pour la redistribution des ions dans le canal du transistor à l'application d'un biais électrique.

Abstract

The ability to couple ionic and electronic transport in organic transistors, based on π conjugated organic materials for the transistor channel, can be particularly interesting to achieve low voltage transistor operation, i.e. below 1 V. The operation voltage in typical organic transistors based on conventional dielectrics (200 nm thick SiO2) is commonly higher than 10 V. Electrolyte-gated (EG) transistors, i.e. employing an electrolyte as the gating medium, permit current modulations of several orders of magnitude at relatively low gate voltages thanks to the exceptionally high capacitance at the electrolyte/transistor channel interface, in turn due to the low thickness (ca. 3 nm) of the electrical double layers forming at the electrolyte/semiconductor interface. Electrolytes based on room temperature ionic liquids (RTILs) are promising in EG transistor applications for their high electrochemical stability and good ionic conductivity. The main motivation behind this work is to achieve low voltage operation in organic transistors by making use of RTILs as gating medium. First we demonstrate the importance of the gate electrode material in the EG transistor performance. The use of high surface area carbon gate electrodes limits undesirable electrochemical processes and renders unnecessary the presence of a reference electrode to monitor the channel potential. This was demonstrated using activated carbon as gate electrode, the electronic conducting polymer MEH-PPV, poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] channel material, and the ionic liquid [EMIM][TFSI] (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), as gating medium. Using high surface area gate electrodes resulted in sub-1 V operation and charge carrier mobilities of (1.0 ± 0.5) ×10-2 cm2V-1s-1. A challenge in the field of EG transistors is to decrease their response time, a consequence of the slow ion redistribution in the transistor channel upon application of electric biases. We systematically investigated EG transistors employing RTILs belonging to the same family, i.e. based on a common anion and different cations. The transistor characteristics showed a limited cation influence in establishing the p-type doping of the conducting polymer. Interestingly, we observed that the transistor response time depends on at least two processes: the redistribution of ions from the electrolyte into the transistor channel, affecting the gate-source current (Igs); and the redistribution of charges in the transistor channel, affecting the drain-source current (Ids), as a vii function of time.