Connessione quantitativa tra il comportamento elettrico di transistor organici e le caratteristiche morfologiche del canale attivo

I transistor organici a gate elettrolitico (Electrolyte-Gated Organic Transistors, EGOTs) sono utilizzati come trasduttori e sensori di segnali transienti elettrici e chimici in fisiologia, come sensori per il rilevamento specifico di biomarcatori fisiopatologici in applicazioni cliniche, per quantificare sostanze inquinanti in acqua e nell’ambiente, e per monitorare processi e prodotti della filiera agrifood. Gli EGOT sono fabbricati con tecniche e processi di film sostenibili a basso impatto ambientale ed energetico, spesso sfruttando processi additivi e tecnologie a base di formulazioni acquose. Sebbene la prototipazione rapida sia diffusa, e piccole produzioni su substrati polimerici flessibili sono state dimostrate, per potere procedere a produzioni di massa (upscaling) bisogna affrontare il problema della standardizzazione e della validazione di tutti. Lo scopo principale di questa tesi è stabilire una correlazione quantitativa e sistematica tra le condizioni di fabbricazione, le caratteristiche morfologiche e microstrutturali dello strato semiconduttore nel canale e le prestazioni elettriche ed elettrochimiche macroscopiche del dispositivo. A questo fine, sono stati presi in esame dispositivi EGOT con canali semiconduttori diversi: due polimerici, PEDOT:PSS e DPP-DTT, e uno molecolare, pentacene. Il processo con cui i film sottili di questi materiali vengono depositati o cresciuti nel canale dell’EGOT varia da materiale a materiale: PEDOT:PSS viene depositato nel canale dell’EGOT da formulazioni a base acquosa per spin coating; DPP-DTT per spin coating da soluzioni in 1,2-diclorobenzene; pentacene per sublimazione in alto vuoto. Per quest’ultimo sono stati analizzati dati sperimentali da dispositivi fabbricati e caratterizzati in una precedente tesi di dottorato del nostro gruppo di ricerca. Per tutti i campioni, è stato variato sistematicamente lo spessore del film sottile, che è un importante parametro di processo determinante la risposta del dispositivo. Sono stati quindi presi in esame diversi osservabili sperimentali, quali la capacità dei film determinate elettrochimicamente, tramite ciclo-voltammetrie e spettroscopia d’impedenza elettrochimica, la transconduttanza, il voltaggio di soglia e il voltaggio d’accensione delle curve di trasferimento. L’applicazione di modelli teorici di recente pubblicazione ai dati sperimentali dell’EGOT ha inoltre permesso di ricavare ulteriori parametri legati ai film semiconduttori, e correlati a caratteristiche chimiche-fisiche e alla struttura elettronica dei semiconduttori, in particolare alla densità degli stati, o alle condizioni di processo. I risultati ottenuti offrono una comprensione approfondita dell'impatto della microstruttura e del disordine energetico sul trasporto di carica negli EGOT, fornendo criteri guida per l'ottimizzazione e la progettazione di futuri biosensori e trasduttori..