New Materials and Processing Routes for Organic Electrochemical Transistors

La bioélectronique est un domaine pluridisciplinaire dont l'objectif est le couplage des dispositifs électroniques avec les systèmes biologiques. La bioélectronique vise l'exploitation des dispositifs électroniques pour des applications biologiques, comme les systèmes de livraison de médicament implantables, la peau artificielle, ou encore les capteurs capables d'opérer in vivo ou in vitro. Les interfaces entre la biologie et l'électronique nécessitent des dispositifs qui soient à la fois mécaniquement flexibles et étirables, chimiquement inertes, ainsi que, dans certains cas, biodégradables. La bioélectronique basée sur des matériaux organiques, ou bioélectronique organique, donne les moyens technologiques de produire des dispositifs électroniques mécaniquement flexibles ou dégradables, le tout à faible coût sur de larges surfaces. Les recherches intensives dans le domaine de l'électronique organique ont commencé dans les années ‘90, avec les premières diodes électroluminescentes, transistors ainsi que cellules photovoltaïques basés sur des matériaux organiques. Les dispositifs électroniques organiques deviennent omniprésents dans notre société moderne avec l'introduction sur le marché d'écrans basés sur l'utilisation de diodes électroluminescentes pour les téléphones cellulaires, les télévisions et d'autres produits commerciaux. D'autres dispositifs électroniques organiques, tels que les transistors organiques pour les tags d'identification radiofréquence, devraient faire à leur tour une entrée sur le marché dans un futur proche. Les matériaux organiques électroniques présentent plusieurs avantages sur leurs homologues inorganiques, ce qui les rend plus adaptés à certaines applications spécifiques. L'un des avantages les plus importants réside sans doute dans la capacité des matériaux organiques électroniques à transporter les porteurs de charge ioniques et électroniques, pour pouvoir développer de nouveaux dispositifs faisant l'interface avec les systèmes biologiques. Le transistor organique électrochimique (OECT), qui a trouvé de nombreuses applications dans les biocapteurs ou dans les dispositifs implantables, en est un bon exemple. Les OECTs offrent la capacité prometteuse à opérer à de faibles voltages (<1 V) en solutions aqueuses, où les procédés biologiques ont lieu. Les OECTs peuvent être réalisés entièrement à l'aide de polymères conducteurs et sont composés d'électrodes appelées source et drain, ainsi que d'un canal en contact ionique avec une électrode appelée grille via une solution électrolytique. Le potentiel appliqué à la grille module le courant qui circule dans le canal. Dans ix la plupart des OECTs, l'application d'une différence de potentiel positive à la grille induit une redistribution réversible des ions positifs à l'intérieur du polymère conducteur composant le canal, ainsi qu'à l'intérieur de l'électrolyte. Ceci, couplé avec l'injection de charges par la source et le drain, résulte en un dédopage électrochimique du canal conducteur, qui s'accompagne d'une diminution du courant source-drain. Dans cette thèse, nous décrivons la fabrication de différents types d'OECTs, rigides, flexibles ou encore dégradables, sur des substrats de verre, de plastique ou de shellac dégradable. Des techniques non-conventionnelles comme la gravure sur parylène et la photolithographie orthogonale ont été utilisées pour la fabrication des dispositifs. Ces méthodes permettent d'éviter le contact direct entre les matériaux organiques et d'autres matériaux (i.e. les photorésines, les solvants et les décapants) typiquement utilisés en photolithographie, évitant ainsi une dégradation des propriétés électriques. Afin de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement des OECTs, qui est toujours largement méconnu, ainsi que d'optimiser leurs performances, nous avons étudié le rôle de leurs composants clé, i.e. l'électrolyte, l'électrode de grille et le substrat. Nous avons aussi exploré la possibilité de fabriquer un dispositif flexible intégrant un transistor et un supercondensateur, qui pourrait être intéressant pour des applications dans le domaine du micro-stockage d'énergie. Les liquides ioniques (ILs) sont des candidats intéressants pour servir de milieu de grille (gating medium) dans les OECTs. Néanmoins, les ILs présentent une viscosité excessivement élevée qui empêche de les utiliser directement dans les OECTs. Nous rapportons ici deux approches permettant d'utiliser le liquide ionique hautement visqueux triisobutyl(méthyl)phosphonium tosylate (Cyphos® IL 106) dans des OECTs basés sur le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrènesulfonate (PEDOT:PSS). Ces deux approches sont l'utilisation d'un mélange binaire IL-H2O et l'utilisation de gels ioniques. Ces formulations du milieu de grille mènent à une augmentation de la modulation de l'OECT, comparativement aux résultats obtenus avec le liquide ionique pur. En utilisant des grilles en carbone activé de grande surface, des ratios ON/OFF allant jusqu'à 5000 ont été obtenus avec les mélanges Cyphos® IL 106–H2O à 5% et 10% de H2O, v/v. Des OECTs planaires utilisant du PEDOT:PSS comme matériau pour le canal, du carbone nanostructuré comme matériau pour l'électrode de grille et du gel poly(sodium 4-styrènesulfonate) x (PSSNa) comme électrolyte ont été fabriqués sur des substrats flexibles de poly(téréphtalate d'éthylène) (Mylar®). Le carbone nanostructuré a été déposé à température ambiante par déposition supersonique de faisceaux en agrégats (SCBD). L'OECT résultant se comporte comme un supercondensateur hybride (ce qui donne un dispositif que nous avons appelé transcap). La capacité à stocker l'énergie des transcaps a été étudiée dans deux configurations : l'une utilise le PEDOT:PSS comme électrode positive et le carbone nanostructuré comme électrode negative, tandis que la deuxième configuration inverse la polarité des électrodes. Les études de la charge/décharge potentiostatique révèlent que les deux supercondensateurs montrent de bonnes performances en termes de rétention de voltage. Ceci est particulièrement vrai quand du PEDOT:PSS est utilisé comme électrode positive. Les caractéristiques de la charge/décharge galvanostatique présentent une forme triangulaire symétrique typique, ce qui indique un comportement capacitif quasiment idéal, avec une haute efficacité coulombienne (proche de 100%). Enfin, nous avons développé des OECTs “verts”, qui emploient des substrats dégradables et de l'eau comme milieu de grille. Des OECTs fabriqués sur du PET (polytéréphtalate d'éthylène) ont été transférés sur un substrat de shellac par transfer printing. Afin d'étudier l'effet de grille en présence d'eau comme milieu de grille, nous avons utilisé une électrode de grille en carbone activé ainsi qu'une électrode de grille en PEDOT:PSS. Les résultats ont montré que les OECTs utilisant des grilles en carbone activé présentent une réponse en courant plus lente et une modulation de courant plus élevée que les grilles en PEDOT:PSS. Le substrat en shellac peut être dégradé en utilisant une solution de KOH à une concentration 1 M. Nos études sur différents électrolytes, grilles de grande surface spécifique et substrats ont permis des avancées significatives dans le domaine des OECTs, qui vont mener vers de nouvelles applications in vivo et in vitro. De plus, les OECTs peuvent être utilisés comme des dispositifs de stockage d'énergie. Le concept de transcap intégrant un transistor organique électrochimique et un supercondensateur peut être davantage optimisé pour obtenir des temps de réponse plus rapides et une autodécharge plus faible, ainsi que des propriétés électriques et de stockage d'énergie optimisées.