Flexible Organic Electrolyte-Gated Transistors Using Liquid and Semi-Solid Electrolytes

Les transistors jouent un rôle essentiel dans la technologie moderne, servant de blocs de construction fondamentaux pour une vaste gamme d'appareils et de systèmes électroniques. Ce sont des composants clés dans les appareils électroniques, tels que les microprocesseurs et les puces de mémoire pour les alimentations, les amplificateurs et les circuits logiques numériques. Les transistors permettent aux appareils électroniques de traiter les informations avec plus de rapidité, d'efficacité et de précision, et ils sont essentiels au développement de technologies telles que les smartphones, les ordinateurs et les systèmes de télécommunications. Les matériaux organiques gagnent en importance dans la fabrication de transistors en raison de leurs propriétés exceptionnelles et de leurs avantages par rapport aux matériaux inorganiques conventionnels. Parmi les avantages notables, les matériaux organiques sont remarquablement flexibles, ce qui facilite le développement de dispositifs électroniques flexibles et étirables. Cela est particulièrement utile dans des applications telles que l'électronique portable et les dispositifs médicaux. De plus, les matériaux organiques sont relativement bon marché à produire et écologiquement durables, ce qui les distingue des matériaux inorganiques conventionnels. Cette thèse de doctorat est consacrée à la fabrication et à la caractérisation de transistors à grille électrolyte organique (EGTs). Dans les EGT, le remplacement des diélectriques conventionnels tels que le SiO2 par un électrolyte permet d'obtenir des basses tensions de fonctionnement (< 1 V) et une haute densité de transporteur de charge (~1015 cm-2). Dans la revue de la littérature, divers types d'électrolytes pour EGT sont présentés, cependant, d'autres approches sont nécessaires pour étudier l'effet de l'utilisation de différents types d'électrolyte sur les caractéristiques électriques des EGT. Dans cette thèse de doctorat, nous avons utilisé des semi-conducteurs organiques de poly[4-(4,4- dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4-b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine] (PCDTPT) et poly(N-alkyldiketopyrrolo-pyrrole-dithienylthieno[3,2-b]thiophene) (DPP-DTT) et polymère conducteur poly(3,4-éthylènedioxythiophène) sulfonate de polystyrène (PEDOT:PSS) comme matériaux de canal.

Abstract

Transistors play an essential role in modern technology, serving as fundamental building blocks for a vast range of electronic devices and systems. They are key components in electronic devices, such as microprocessors and memory chips to power supplies, amplifiers, and digital logic circuits. Transistors enable electronic devices to process information with greater speed, efficiency, and accuracy, and they are critical to the development of technologies such as smartphones, computers, and telecommunications systems. Organic materials are gaining significant importance in transistor manufacturing owing to their exceptional properties and advantages over conventional inorganic materials. Among the notable advantages, organic materials are remarkably flexible, which facilitates the development of flexible and stretchable electronic devices. This is particularly useful in applications such as wearable electronics and medical devices. Additionally, organic materials are comparatively inexpensive to produce and environmentally sustainable, setting them apart from conventional inorganic materials. This PhD thesis is devoted to fabricating and characterizing organic electrolyte-gated transistors (EGTs). In EGTs, replacing conventional dielectrics, like SiO2, with an electrolyte results in lowoperating voltages (< 1 V) and high charge carrier density (~1015 cm-2). In the literature review, various types of electrolytes for EGTs are presented, however, further approaches are required to study the effect of using different types of electrolytes on the electrical characteristics of EGTs. We utilized the following p-type organic semiconductors as channel materials: poly[4-(4,4- dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4-b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine] (PCDTPT) and poly(N-alkyldiketopyrrolo-pyrrole-dithienylthieno[3,2-b]thiophene) (DPP-DTT) and conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS). The electrolytes in EGTs play a crucial role in the performance of the device. Investigating the properties of the electrolyte can help diagnosis the factors that affect the stability and reliability of EGTs and can help in identifying the optimal composition and structure for specific applications. Firstly, we investigated the electrical characterization of EGTs based on PCDTPT using the ionic liquid, (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMIM][TFSI])), as an ion gating medium.