Electrolyte-Gated Tungsten Oxide Transistors: Fabrication, Working Mechanism, Device Performance

Le transistor est l'un des composants clés des ordinateurs, des téléphones cellulaires intelligents, des moniteurs et d'autres produits électroniques qui ont affecté le progrès technologique et scientifique de notre société. Ces dernières années, l'attention a été consacrée à l'étude des transistors utilisant la commutation électrolytique, au lieu de diélectriques solides conventionnels. Bien que l'utilisation d'électrolytes dans l'électronique ne soit pas un nouveau concept, la commutation électrolytique est importante pour le développement de l'électronique flexible et biocompatible. Les transistors à commutation électrolytique ont, en effet, attiré l'attention en raison de leur faible tension d'alimentation (< 2 V) ainsi que de la possibilité d'obtenir une densité de charge aussi élevée que 1014-1015 cm-2 en raison de la capacité élevée de l'interface électrolyte/canal du transistor (1-10 μF·cm-2). Mis à part leur intérêt technologique intrinsèque, les transistors à commutation électrolytique constituent aussi une plateforme expérimentale pour étudier des aspects fondamentaux. Ils sont en effet utilisés pour étudier le transport combiné électronique et ionique, le transport de charge à haute densité de charge et le contrôle électrique des transitions de phase. Différents électrolytes ont été utilisés comme grille électrolytique, tels que des solutions aqueuses d'électrolyte, des polyélectrolytes, des polymères électrolytiques et des liquides ioniques. Parmi ceux-ci, les liquides ioniques se distinguent par leurs propriétés physico-chimiques uniques. En effet, les liquides ioniques peuvent être conçus pour posséder des caractéristiques de volatilité limitée, bonne conductivité ionique, faible viscosité, stabilité thermique élevée et large fenêtre de stabilité électrochimique (jusqu'à environ 5 V), en sélectionnant la structure appropriée pour le cation et l'anion. Les oxydes métalliques sont de candidats prometteurs en tant que matériaux de canal pour les transistors à grille électrolytique. Les semi-conducteurs à base d'oxydes de métaux ont été intensément étudiés au cours des dernières décennies pour les transistors, en particulier pour des applications de type affichage, en raison de leur mobilité de charge élevée, de leur transparence optique, de leur stabilité chimique, facilité de mise en forme et faible coût. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'oxyde de tungstène qui peut être synthétisé par de simples méthodes en solution, est sensible à la lumière visible et présente de transitions intéressantes isolant-métal (métallisation).

Abstract

Transistors are one of the key components in computers, smart cell phones, monitors and other electronics products, which have affected the technological and scientific progress of our society. In recent years, attention has been dedicated to the study of electrolyte-gated transistors, which utilize electrolytes as the gating layer instead of conventional solid dielectric. Although the use of electrolytes in electronics is not a new concept, new printable, fast-response electrolytes are expanding the potential applications of electrolyte-gated transistors in flexible, rollable and biocompatible electronics. Electrolyte-gated transistors are indeed attracting attention because of their low driving voltages (< 2 V) as well as the possibility of achieving charge carrier density as high as ca. 1014 −1015 cm−2, owing to the high capacitance of the electrolyte/transistor channel interface (ca. 1−10 μF·cm−2). The intrinsic technological interest of electrolyte-gated transistors is paralleled by their relevance as experimental platforms to study fundamental aspects of electrochemistry, solid state physics and electronic engineering. Particular attention is devoted to combined electronic and ionic transport, charge carrier transport at high charge density and electrical control of phase transitions. Different electrolytes have been used as gating media in electrolyte-gated transistors, such as aqueous electrolyte solutions, polyelectrolytes, electrolyte polymers and ionic liquids. Among these, ionic liquids stand out due to their unique physicochemical properties. Indeed, ionic liquids can be designed to exhibit limited volatility, good ionic conductivity, low viscosity, high thermal stability, and a wide electrochemical stability window (up to ca. 5 V) by appropriate choice of structure for the cation and anion. Promising channel material candidates for electrolyte-gated transistors are metal oxides. Metal oxide semiconductors have been intensively investigated over the past decades for transistors, particularly in display applications due to their high charge carrier mobility, high optical transparency, chemical stability, low temperature processability and low cost. In this thesis, we focus on tungsten oxide that features solution processability, insulator-to-metal transition and visible light sensitivity.