Transistors elettrochimici organici e la loro applicazione come sensori.

La presente tesi tratta della fabbricazione e del funzionamento di transistors elettrochimici organici (OECTs) composti da fi�lm sottili di poly(3,4-ethylenedioxythiophene) disperso con polystyrenesulfonic acid, o PEDOT:PSS, oltre che del loro possibile utilizzo come sensori. La trattazione si apre con una panoramica sui polimeri conduttivi, siano essi puri o drogati, e sulle loro caratteristiche chimiche ed elettriche: diversi metodi di drogaggio consentono il loro utilizzo come semiconduttori. Tra questi polimeri, il PEDOT �e uno dei pi�u utilizzati poich�e presenta accessibilit�a d'uso e ottima stabilit�a nel suo stato drogato, pur risultando insolubile in acqua; per ovviare a questo problema lo si polimerizza con PSS. Le propriet�a di questo composto sono poi ampiamente discusse, soprattutto in ambito di applicazioni tecniche, per le quali �e neccessario che il polimero in soluzione sia depositato su un substrato. A questo scopo vengono presentate le principali techiche che consentono la deposizione, permettendo di creare fil�lm sottili di materiale da utilizzarsi, nell'ambito di questa tesi, come gate e canale dei transistors elettrochimici. A seguire viene esposta la struttura degli OECTs e spiegato il loro funzionamento, modellizzando i dispositivi con un semplice circuito elettrico. Il confronto dei meno noti OECTs con i meglio conosciuti transistors a eff�etto campo semplifi�ca la comprensione del funzionamento dei primi, i quali sono rilevanti ai fi�ni di questa trattazione per il loro possibile funzionamento come sensori. In seguito alla spiegazione teorica, vengono illustrati i metodi seguiti per la deposizione di �film sottili di PEDOT:PSS tramite Spin Coating e per la fabbricazione degli OECTs su cui sono state eff�ettuate le misure, le quali sono state scelte e presentate in base ai risultati gi�a ottenuti in letteratura e a seconda dei dati ritenuti necessari alla caratterizzazione del transistor elettrochimico nell'ottica di un suo possibile utilizzo come sensore. Perci�o sono state eseguite misure amperometriche in funzione delle tensioni di gate e di drain, alternatamente tenendo costante una e variando l'altra, oltre che in funzione della concentrazione di elettrolita, dell'area del canale e del tempo. In conclusione sono presentati i dati sperimentali ottenuti ed una loro analisi.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.

Transistor elettrochimici tessili come sensori per elettronica indossabile

Questa tesi descrive lo sviluppo di un OECT (Organic Eletrochemical Transistor) basato su un polimero conduttore (PEDOT:PSS) stampato su tessuto che può essere utilizzato come sensore fisico e chimico. Il lavoro di tesi si posiziona all’interno della Wearable Technology ossia il mercato emergente dei dispositivi indossabili. Essi sono caratterizzati da innumerevoli ambiti di applicazione tra i quali troviamo le varie forme di pagamento digitale, la gestione della salute e del fitness, dell'Entertainment e l’utilizzo nel mondo della moda. Questa ricerca nello specifico mostra come tali transistor, quando utilizzati come sensori chimici, possano essere impiegati per rivelare e dosare composti redox attivi quali acido ascorbico, adrenalina e dopamina. Tali sostanze sono state scelte per l’importanza che rivestono nel metabolismo umano e la loro presenza in diversi fluidi biologici, quali sudore o sangue, può essere utile per il monitoraggio, la diagnostica e la prevenzione di diverse malattie. I sensori possono essere fabbricati mediante semplici processi di stampa su un tessuto indossabile permettendo così di monitorare tali fattori in tempo reale e con un ingombro estremamente ridotto. Il tempo di vita del dispositivo tessile è stata valutata sottoponendolo a diversi cicli di lavaggio.

Planar silver nanowire, carbon nanotube and PEDOT:PSS nanocomposite transparent electrodes

Highly conductive, transparent and flexible planar electrodes were fabricated using interwoven silver nanowires and single-walled carbon nanotubes (AgNW:SWCNT) in a PEDOT:PSS matrix via an epoxy transfer method from a silicon template. The planar electrodes achieved a sheet resistance of 6.6 ± 0.0 Ω/squ and an average transmission of 86% between 400 and 800 nm. A high figure of merit of 367 Ω−1 is reported for the electrodes, which is much higher than that measured for indium tin oxide and reported for other AgNW composites. The AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS electrode was used to fabricate low temperature (annealing free) devices demonstrating their potential to function with a range of organic semiconducting polymer:fullerene bulk heterojunction blend systems.

Hydrothermal synthesis of CdTe QDs: Their luminescence quenching in the presence of bio-molecules and observation of bistable memory effect in CdTe QD/PEDOT:PSS heterostructure

We report one-pot hydrothermal synthesis of nearly mono-disperse 3-mercaptopropionic acid capped water-soluble cadmium telluride (CdTe) quantum dots (QDs) using an air stable Te source. The optical and electrical characteristics were also studied here. It was shown that the hydrothermal synthesis could be tuned to synthesize nano structures of uniform size close to nanometers. The emissions of the CdTe QDs thus synthesized were in the range of 500-700 nm by varying the duration of synthesis. The full width at half maximum (FWHM) of the emission peaks is relatively narrow (40-90 nm), which indicates a nearly uniform distribution of QD size. The structural and optical properties of the QDs were characterized by transmission electron microscopy (TEM), photoluminescence (PL) and Ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy. The photoluminescence quenching of CdTe QDs in the presence of L-cysteine and DNA confirms its biocompatibility and its utility for biosensing applications. The room temperature current-voltage characteristics of QD film on ITO coated glass substrate show an electrically induced switching between states with high and low conductivities. The phenomenon is explained on the basis of charge confinement in quantum dots. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

How PEDOT:PSS solutions produce satellite-free inkjets

Satellite droplets are unwanted in inkjet printing and various approaches have been suggested for their reduction. Low jetting speeds limit applications of the process. Added surfactants for wetting and conductivity enhancement may help but dynamic surface tension effects may counteract improvements. A higher fluid viscosity delays ligament break-up, but also leads to slower jets, while viscoelasticity reduces satellite formation only in certain cases. We show here that aqueous solutions of PEDOT:PSS (1:2.5 by weight) are strongly shear-thinning. They exhibit low viscosity within the printing nozzle over a wide range of jet speeds, yet rapidly (<100 μs) recover a higher viscosity at the low shear rates applicable once the jet has formed, which give the benefit of delayed satellite formation. The delay over a 0.8 mm stand-off distance can be sufficient to completely suppress satellites, which is significant for many printing applications. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Substrate treatment and drying conditions effect on the properties of roll-to-roll gravure printed PEDOT:PSS thin films

The optical, structural and electrical properties of poly(3,4- ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) thin films printed by roll-to-roll gravure have been investigated. Corona treatment has been applied to enhance the adhesion of PEDOT:PSS on PolyEthylene Terephthalate (PET) web. It has been found that there was a stronger in-depth surface modification of PET with the increase of corona efficiency; however, the adhesion of PEDOT:PSS was not actually affected. Also, Spectroscopic Ellipsometry and Atomic Force Microscopy have been used to extract information on the mechanisms that define PEDOT:PSS properties. The increase of the drying temperature of the PEDOT:PSS films has been found to reduce the remaining water inside the films and lead to the decrease of the PEDOT:PSS particles size. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Picosecond laser patterning of PEDOT:PSS thin films

Picosecond pulsed laser (10.4 ps, 1064 nm, 5 and 50 kHz) patterning studies were performed, of PEDOT:PSS thin films of varying thickness deposited by spin coating on glass substrates, by ablating the films or by changing locally by laser irradiation the optical and electrical properties of the polymer. From a detailed observation of the morphology of single pulse ablated holes on the surfaces of the films, in combination with simple calculations, it is concluded that photomechanical ablation is the likely ablation mechanism of the films. The single pulse ablation thresholds were measured equal to 0.13-0.18 J/cm 2 for films with thicknesses in the region of ∼100-600 nm. The implications on ablation line patterning of the films using different fluences, scanning speeds and pulse repetition rates, were investigated systematically. Laser irradiation of the films before ablation induces a metal-insulator transition of the polymer because of the formation of charge localization due to a possible creation of molecular disorder in the polymer and shortening of its conjugation length. © 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electropolymerized poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) film on ITO glass and its application in photovoltaic device

Poly(3,4-ethylenedioxythiopliene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) films have been electrochemically polymerized in situ on ITO glass substrate in boron trifluoride diethyl etherate electrolyte (BFEE). Cyclic voltammograms show good redox activity and stability of the PEDOT films. These films had been directly used to fabricate organic-inorganic hybrid solar cells with the structure of ITO/PEDOT/ZnO:MDMC-PPV/Al. The solar cells made of electrochemically polymerized films exhibit higher energy conversion efficiencies compared with that prepared by the spin-coating method, and the highest value is 0.33%. This in-situ electropolymerized method effectively simplifies fabricating procedures and may blaze a facile and economical route for producing high-efficiency solar cells.

A facile method for the synthesis of Au/PEDOT:PSS nanocomposite

In this work, we have successfully synthesized Au nanoparticles (NPs) in situ in PEDOT:PSS deploying a room temperature atmospheric pressure microplasma. The size of the AuNPs is a function of the gold salt precursor concentration and the plasma processing time. The Au/polymer colloids after processing remain well dispersed over a prolonged period of time. Both gold salt concentration and the plasma processing time have influence on the electrical conductivity of the dried Au/PEDOT:PSS nanocomposite films. An enhanced electrical conductivity of the Au/PEDOT:PSS nanocomposite films has been attributed to (i) the interfacial ligand formation between the S atoms in PEDOT:PSS molecules and the Au surface and (ii) charge transfer from the AuNPs to the holes of PEDOT:PSS molecules.

Atmospheric Pressure DC Plasma Processing of TIO2/PEDOT:PSS Nanocomposites

In this work we demonstrate the synthesis of a TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite material in aqueous solution through atmospheric pressure direct current (DC) plasma processing at room temperature. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced after microplasma processing, and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. We have observed increased TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite electrical conductivity due to microplasma processing. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are thought to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer bonding, which is expected to have a significant benefit in materials processing with inorganic nanoparticles for wide range of applications.

Enhanced Dispersion of TiO2 Nanoparticles in a TiO2/PEDOT:PSS Hybrid Nanocomposite via Plasma-Liquid Interactions

A facile method to synthesize a TiO2/PEDOT:PSS hybrid nanocomposite material in aqueous solution through direct current (DC) plasma processing at atmospheric pressure and room temperature has been demonstrated. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. Increased electrical conductivity was observed for the plasma treated TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are proposed to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer binding.

PEDOT:PSS self-assembled films to methanol crossover reduction in Nafion (R) membranes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)