Organic Ion-Gated Transistors

Les transistors jouent un rôle essentiel dans le développement de l'électronique, qui à son tour affecte notre société, en particulier dans le progrès scientifique, technologique, de l'information et de l'éducation. Ces dernières années, les transistors à grille ionique (IGTs) utilisant des liquides ioniques comme milieu de déclenchement ont attiré beaucoup d'attention. Les IGTs remplacent les diélectriques conventionnels couramment utilisés, tels que SiO2, afin d'obtenir une densité de porteurs de charge élevée (environ 1015 cm-2) à basse tension (<2 V). Cela est dû à la capacité élevée (environ 1-10 F/cm2) des doubles couches électriques (épaisseur typique de 2-4 nm) formées à l'interface entre le milieu de déclenchement ionique/canal de transistor. Les IGTs sont un exemple de la technologie iontronique, un domaine interdisciplinaire émergent qui réunit l'électronique et l'ionique. L'iontronique couvre différents aspects fondamentaux, y compris l'électrochimie, le génie électrique, la science des matériaux, etc. Dans cette thèse, l'accent des transistors à grille ionique est mis sur les propriétés électroniques des matériaux constituant le canal du transistor car celles-ci sont controlées par le mouvement ionique. On parle, en effet, de déclenchement ionique. Les liquides ioniques sont un type d'électrolytes liquides «sans solvant». Ils possèdent des propriétés physicochimiques uniques. En effet, ils ont une pression de vapeur négligeable. De plus, ils ont une conductivité ionique relativement élevée (0.1-20 mS cm-1) et une large gamme de viscosité (10-1000 mPa×s). De plus, les liquides ioniques présentent de larges fenêtres électrochimiques (jusqu'à 5 V) et une stabilité thermique élevée (jusqu'à 300 oC).

Abstract

Transistors play a key role in the development of electronics, which in turn affects our society, particularly in the scientific, technological, information and education domains. In recent years, ion-gated transistors (IGTs) making use of ionic liquids as gating media have gained a lot of attention. They replace the commonly used conventional dielectrics, such as SiO2, to achieve low-operating voltages (< 2 V) and high charge carrier density (ca. 1015 cm-2). This is due to the high capacitance (ca 1-10 F/cm2) of the electrical double layer formed at the ion gating medium-transistor channel interface. IGTs are an example of iontronic technology, an emerging interdisciplinary field that brings electronics and ionics together. Iontronics covers various fundamental aspects of electrochemistry, electrical engineering, materials science. The emphasis of ion-gated transistors is on the electronic properties of transistor channel materials as controlled by ionic motion, namely ion-gating. Ionic liquids are a type of “solvent-free” liquid electrolyte. They possess unique physicochemical properties. In particular, they have negligible vapor pressure, relatively high ionic conductivity (0.1-20 mS cm-1) and a wide range of viscosity (10-1000 mPa×s). They also exhibit wide electrochemical windows (up to 5 V) and high thermal stability (up to 300 oC). Organic semiconducting materials have been studied and applied in organic electronics for the past four or five decades, in organic solar cells, organic light-emitting diodes, organic transistors and so on. In this PhD thesis, we focus on the organic small molecule material phenyl−C61−butyric acid methyl ester (PCBM) and polymer materials poly[N-9'-heptadecanyl-2,7 -carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT) and poly (3-hexylthiophene) (P3HT).