High‐Gain Chemically Gated Organic Electrochemical Transistor

Abstract

Organic electrochemical transistors (OECTs) have exhibited promising performance as transducers and amplifiers of low potentials due to their exceptional transconductance, enabled by the volumetric charging of organic mixed ionic/electronic conductors (OMIECs) employed as the channel material. OECT performance in aqueous electrolytes as well as the OMIECs’ redox activity has spurred a myriad of studies employing OECTs as chemical transducers. However, the OECT's large (potentiometrically derived) transconductance is not fully leveraged in common approaches that directly conduct chemical reactions amperometrically within the OECT electrolyte with direct charge transfer between the analyte and the OMIEC, which results in sub‐unity transduction of gate to drain current. Hence, amperometric OECTs do not truly display current gains in the traditional sense, falling short of the expected transistor performance. This study demonstrates an alternative device architecture that separates chemical transduction and amplification processes on two different electrochemical cells. This approach fully utilizes the OECT's large transconductance to achieve current gains of 103 and current modulations of four orders of magnitude. This transduction mechanism represents a general approach enabling high‐gain chemical OECT transducers.

Operation Mechanism of Organic Electrochemical Transistors as Redox Chemical Transducers

“…Indeed, there have been multiple reports utilizing OECTs as chemical redox sensors, where the analyte is introduced directly into the OECT electrolyte while an external VGS is applied. [18][19][20][21] However, this approach, as we [22] and Macchia et al [23] have pointed out, merits further analysis. Firstly, the amplification of these reactions by the OECT is unclear.…”

“…Indeed, all-in-one operation of an OECT sensor with a non-polarizable Ag/AgCl gate showed sub-unity current gain. [22] Furthermore, conducting redox reactions within the electrolyte of the OECT in the presence of asymmetric electric fields (from both VGS and VDS) results in complex and site-specific side reactions on both the channel and gate as these parasitic redox reactions may be triggered only at specific voltages. These unknown parasitic reaction currents are superimposed onto the desired sensing current.…”

Электрохимический Контроль Электронной Проводимости Тонких Пленок Металлоорганических Полимеров

“…Электропроводность органических или металлоорганических сопряженных полимерных ионно-электронных проводников может регулироваться как химической природой (структурой) полимера, так и электрохимическим окислительно-восстановительным потенциалом [1]. Это уникальное свойство делает возможным их применение в электрохимических устройствах, в том числе в биосенсорах [2], накопителях энергии [3], транзисторах [4].…”

“…Это уникальное свойство делает возможным их применение в электрохимических устройствах, в том числе в биосенсорах [2], накопителях энергии [3], транзисторах [4]. В настоящей работе был получен новый электропроводящий полимер поли- [7,8,15,16,17,18-гексагидробензол [e, m] [1,4,8,11]тетраазоциклотетрадецинато (2-)]никель(II) (поли-[NiCyen]), впервые исследована зависимость электронной проводимости сопряженных никелевых металлополимеров с основаниями Шиффа, содержащими четыре донорных атома азота (N 4 ), от электрохимически индуцированного уровня легирования для оценки перспективности их как материалов электрохимических транзисторов.…”

“…Проводимость максимальна при одинаковых концентрациях окисленных и восстановленных редокс-центров. Таким образом, проводимость Таким образом, в работе впервые синтезирован электропроводящий полимер poly-[NiCyen] и показана возможность управления его проводимостью методом электрохимического легирования в пределах четырех порядков величины, что соответствует лучшим достижениям в этой области, имеющимся в настоящее время [1].…”