Diseño y caracterización de sensores para la medida de parámetros químicos y biológicos mediante Organic Thin-film transistors

Abstract

[ES] RESUMEN La Electrónica Orgánica ha experimentado un gran avance en las últimas décadas, desde que en los años 70 se descubrieran los polímeros conductores. Las características únicas de los semiconductores orgánicos, han permitido el desarrollo de dispositivos electrónicos flexibles y con múltiple funcionalidad, mediante técnicas de fabricación a temperatura ambiente y bajo coste. Uno de los campos en los que estos dispositivos orgánicos han despertado mayor interés es el de su aplicación como sensores. En particular, los sensores basados en los denominados Transistores Orgánicos de película delgada (OTFT's) han experimentado un gran desarrollo debido a sus múltiples ventajas, como simplicidad, elevada sensibilidad, y posibilidad de miniaturización. Existen dos tipos principales de OTFT's: Transistor Orgánico de Efecto de Campo (OFET) y Transistor Electroquímico Orgánico (OECT). Los OECT's constan de tres electrodos (surtidor, drenador y puerta), un semiconductor orgánico (OSC), y un electrolito en contacto con el semiconductor. El funcionamiento de los sensores basados en OECT's se basa en la modulación de la corriente del canal por dopaje o de-dopaje electroquímico desde el electrolito, cuando se aplican tensiones de puerta. Los OECT's resultan especialmente adecuados como sensores químicos debido a su capacidad de operar en medios acuosos. En este trabajo, se han desarrollado OECT's basados en el OSC PEDOT:PSS mediante tecnología Screen-printing. Los transistores se han diseñado variando su geometría, parámetro del que depende la sensibilidad del sensor. Mediante la caracterización eléctrica de los OECT's, se ha podido determinar la geometría óptima en función del analito a detectar. Finalmente, se ha comprobado experimentalmente la validez de estos OECT's como sensores de cationes de diferentes tamaños y de ácido ascórbico, obteniéndose resultados muy satisfactorios. Los OFET's, se han preparado depositando el OSC sobre el dieléctrico y para obtener el canal cuya corriente se modula con la tensión aplicada al electrodo de puerta. En la mayoría de los sensores basados en OFET's, el semiconductor está expuesto al analito. Su funcionamiento se basa en la modificación de la corriente del canal por dopaje o captura de cargas en presencia del analito. En este trabajo, se han desarrollado OFET's basados en TIPS-Pentacene mediante las tecnologías Drop-casting y Spin-coating. Tras establecer la mejor técnica de deposición del semiconductor orgánico se han caracterizado eléctricamente los OFET's. La caracterización eléctrica de estos transistores orgánicos es fundamental para optimizar su uso como sensores químicos. No obstante, las propiedades únicas de los OSC's dificultan la caracterización eléctrica de estos dispositivos con los equipos comerciales actuales, diseñados todos ellos para la caracterización de transistores de Silicio. Para suplir esta necesidad, se ha diseñado un equipo para la caracterización de transistores orgánicos, utilizando componentes comerciales de bajo coste y un software desarrollado específicamente para la determinación de los parámetros característicos de OECT's y OFET's fijados en la norma estándar IEEE 1620-2008.

[CA] RESUM La Electrònica Orgànica ha experimentat un gran avanç en les últimes dècades, des que en els anys 70 es descobrissin els polímers conductors. Les característiques úniques dels semiconductors orgànics, han permès el desenvolupament de dispositius electrònics flexibles i amb múltiple funcionalitat, mitjançant tècniques de fabricació a temperatura ambient i baix cost. Un dels camps en què aquests dispositius orgànics han despertat més interès és el de la seva aplicació com a sensors. En particular, els sensors basats en els denominats Transistors Orgànics de pel·lícula prima (OTFT s) han experimentat un gran desenvolupament a causa dels seus múltiples avantatges, com simplicitat, elevada sensibilitat, i possibilitat de miniaturització. Hi ha dos tipus principals de OTFT s: Transistor Orgànics d'Efecte de Camp (OFET) i Transistor Electroquímic Orgànic (OECT). Els OECT's consten de tres elèctrodes (sortidor, drenador i porta), un semiconductor orgànic (OSC), i un electròlit en contacte amb el semiconductor. El funcionament dels sensors basats en OECT's es basa en la modulació del corrent del canal per dopatge o de-dopatge electroquímic des del electròlit, quan s'apliquen tensions de porta. Els OECT's resulten especialment adequats com a sensors químics per la seva capacitat d'operar en mitjans aquosos. En aquest treball, s'han desenvolupat OECT's basats en el OSC PEDOT: PSS mitjançant tecnologia Screen-printing. Els transistors s'han dissenyat variant la seua geometria, paràmetre del qual depèn la sensibilitat del sensor. Mitjançant la caracterització elèctrica dels OECT's, s'ha pogut determinar la geometria òptima en funció de l'analit a detectar. Finalment, s'ha comprovat experimentalment la validesa d'aquests OECT's com a sensors de cations de diferents mides i d'àcid ascòrbic, obtenint-se resultats molt satisfactoris. Els OFET's, s'han preparat dipositant el OSC sobre el dielèctric per obtenir el canal i la corrent es modula amb la tensió aplicada a l'elèctrode de porta. En la majoria dels sensors basats en OFET's, el semiconductor està exposat al analit. El seu funcionament es basa en la modificació del corrent del canal per dopatge o captura de càrregues en presència de l'analit. En aquest treball, s'han desenvolupat OFET's basats en TIPS-Pentacene mitjançant les tecnologies "Drop-càsting" i "Spin-coating". Després d'establir la millor tècnica de deposició del semiconductor orgànic s'han caracteritzat elèctricament els OFET's

La caracterització elèctrica d'aquests transistors orgànics és fonamental per optimitzar el seu ús com a sensors químics. No obstant això, les propietats úniques dels OSC's dificulten la caracterització elèctrica d'aquests dispositius amb els equips comercials actuals, dissenyats tots ells per a la caracterització de transistors de silici. Per suplir aquesta necessitat, s'ha dissenyat un equip per a la caracterització de transistors orgànics, utilitzant components comercials de baix cost i un programari desenvolupat específicament per a la determinació dels paràmetres característics de OECT's i OFET's fixats en la norma estàndard IEEE 1620-2008.

[EN] ABSTRACT Organic Electronics has been extensively developed along these past decades, since the discovery of conducting polymers in the 1970s. The unique features that these organic semiconductors can offer have allowed the development of many electronic devices with mechanical flexibility and multiple functionalities, using low-temperature and low-cost fabrication technologies. These organic devices have attracted considerable interest for their use in many fields, especially for sensing applications. In particular, Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) have paved the way towards the fabrication of efficient sensors due to their many advantages, such as simplicity, high sensitivity, and facile miniaturization. OTFTs can be classified into two types of transistors: Organic Field Effect Transistors (OFET) and Organic Electrochemical Transistors (OECT). The essential components of an OECT are an organic semiconductor film, three electrodes (source, drain and gate), and an electrolyte bridging the semiconductor and the gate electrode. The operation of an OECT-based sensor lies on the modulation of the channel current by electrochemical doping or de-doping from the electrolyte, when gate voltages are applied. OECTs have attracted considerable interest for their application as chemical sensors due to their ability to operate in aqueous environments. In this work, PEDOT: PSS-based OECTs have been prepared by Screen-printing. The effect of the geometry on the sensor sensitivity has been investigated by comparing OECTs with different channel and gate areas ratio. The electrical characteristics of the OECTs have been used to determine the geometry that optimizes their performance for sensing different analytes. Finally, the use of these OECTs for the detection of cations and ascorbic acid has been experimentally assessed, with satisfactory and promising results. The OFET's have been prepared by depositing the organic semiconductor on the dielectric and thus obtain the chanel whose current is modulated by the voltage applied to the gate electrode. In most of the OFET-based sensors, the semiconductor is exposed to the analyte. Their operation is based on the modification of the channel current by charge doping or trapping due to the analyte. In this work, OFETs based on TIPS-pentacene have been prepared by Drop-casting and Spin-coating. The best technique for deposition of this organic semiconductor has been initially identified. Then, the electrical characteristics of these OFETs have been determined. The electrical characterization of these organic transistors is essential for their optimization as chemical sensors. However, the unique properties of organic semiconductors render difficult the electrical characterization of these transistors with current commercial devices, since these have been all designed for characterizing Si-based transistors. A device which allows for systematic characterization of organic transistors has been designed therefore, using low-cost commercial components and a software that has been specifically developed for the determination of the reporting parameters for OFETs and OECTs, as specified in the IEEE 1620-2008 standard.