Ed Interest Transistors organiques Fig1

Entièrement chargé: percées dans les matériaux de batterie lithium-ion

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Nous associons généralement le terme «semi-conducteur» à l’expression «à l’état solide» comme s’il s’agissait de la même chose. Cela a du sens, étant donné que les fondements littéraux et figuratifs de notre industrie sont généralement basés sur des éléments physiques solides tels que le silicium, le géranium et le gallium. Néanmoins, tout un monde de transistors «organiques» a attiré une attention considérable et a peu de rapport avec ceux à l’état solide.

Récemment, une équipe de recherche multidisciplinaire de l’Université de Columbia a développé des transistors organiques pilotés par les ions conçus pour enregistrer des neurones individuels et effectuer des calculs en temps réel. Ces dispositifs biocompatibles pourraient permettre un meilleur diagnostic et un meilleur suivi des maladies neurologiques.

Le professeur Dion Khodagholy, qui dirige le laboratoire de neuroélectronique translationnelle de l’université, a déclaré: «Au lieu d’avoir de gros implants encapsulés dans des boîtes métalliques épaisses pour protéger le corps et l’électronique les uns des autres, comme ceux utilisés dans les stimulateurs cardiaques et les implants cochléaires et cérébraux, nous pourrions faire tellement plus si nos appareils étaient plus petits, flexibles et intrinsèquement compatibles avec notre environnement corporel. »

Les appareils à base de silicium ne peuvent pas fonctionner en présence d’ions et d’eau; ils doivent être encapsulés dans le corps. De plus, en tant que dispositifs à base d’électrons, ils n’interagissent pas bien avec les signaux ioniques que les cellules du corps utilisent pour communiquer. Certains matériaux organiques ont été développés pour dépasser ces limites, mais leurs performances électriques sont insuffisantes pour les applications cibles.

Dans ce projet, la conduction ionique de matériaux organiques est utilisée pour créer des transistors à entraînement ionique à partir d’un composite de poly (2,3-dihydrothiéno-1,4-dioxine) -poly (styrènesulfonate) (désigné comme PEDOT: PSS) et de polyéthylèneimine (Î.-P.-É.). Ces transistors électrochimiques organiques internes à déclenchement ionique (e-IGT) en mode d’amélioration intègrent des ions mobiles à l’intérieur de leurs canaux (Fig. 1).

1. Structure et caractéristiques en régime permanent de l’IGT: (A) Illustration schématique de la section transversale de l’IGT et schéma de câblage pour le fonctionnement de l’appareil (en haut); Le d-sorbitol crée un réservoir d’ions, maintenant les ions mobiles (verts) qui peuvent voyager dans le canal. Les régions riches en PEDOT sont représentées en bleu clair et les lamelles PSS (flocons) en blanc (en bas). (B) micrographie optique affichant la vue de dessus d’un transistor individuel (barre d’échelle, 20 µm). L’encart montre une image de microscopie électronique à balayage en coupe (SEM) acquise à un angle d’inclinaison de 30 °. La membrane ionique (rouge clair), le canal (bleu clair) et les contacts Au pour la porte (G) et la source (S; beige) sont visibles (barre d’échelle, 5 µm). (C) Caractéristiques de sortie (I – V) du dispositif IGT (L = 5 µm, W = 500 µm) pour tension de grille (Vg) variant de 0 V (courbe du haut) à +0,6 V (courbe du bas) avec un pas de +0,1 V; l’intensité de la couleur correspond à Vg amplitude. (D) Courbe de transfert pour V = −0,6 V (noir), et la transconductance correspondante (orange), | gmmax | = 32,30 mS. (Source: Université Columbia)

Étant donné que les ions n’ont pas besoin de parcourir de longues distances pour participer au processus de commutation de canal, ils peuvent être activés et désactivés rapidement et efficacement. Il en résulte des dispositifs avec une transconductance élevée et une vitesse rapide qui peuvent être déclenchés indépendamment pour créer des circuits intégrés adaptables évolutifs.

Ils ont utilisé ces e-IGT pour acquérir une large gamme de signaux électrophysiologiques, tels que l’enregistrement in vivo des impulsions d’action neuronale, et pour créer des unités de traitement neuronales souples, biocompatibles et implantables à long terme pour la détection en temps réel des décharges épileptiques. (Fig. 2).

Ed Interest Transistors organiques Fig2

2. Portes logiques numériques IGT intégrées et amplificateurs en cascade: (A) Les portes NAND et NOR basées sur IGT s’adaptent à la surface des pétales d’orchidées (à gauche) (barre d’échelle, 1 cm). Micrographies optiques des portes logiques NOR (en haut à droite) et NAND (en bas à droite). La configuration d’entrée (I1 et I2) et de sortie (O) est indiquée (barre d’échelle, 100 µm). (B) Réponse temporelle du courant de drain de sortie (O) d’une porte logique NOR (haut) et NAND (bas). Le premier signal d’entrée (I1, bleu), le deuxième signal d’entrée (I2, rouge) et le signal de sortie (O, noir) sont affichés en haut. Les lignes rouges pointillées marquent le seuil des logiques hautes et basses. (C) micrographie optique affichant la vue de dessus d’un amplificateur en cascade basé sur IGT (barre d’échelle, 20 µm). (D) Schéma de circuit de l’amplificateur en cascade basé sur IGT et les signaux d’entrée et de sortie correspondants. Tension d’entrée, Vdans, (rouge) (barre d’échelle, 50 mV). Signal de sortie de T1 (noir). Sortie amplifiée finale de T2 (bleu) (barres d’échelle, 50 µA et 100 ms). (Source: Université Columbia)

Poursuivant ses recherches de base, l’équipe a également créé un matériau particulaire à conduction mixte (MCP) capable d’exécuter de multiples fonctions électroniques dynamiques non linéaires simplement en faisant varier la taille et la densité de ses particules composites. Ces films anisotropes haute performance incorporent des transistors, des résistances et des diodes adressables indépendamment qui sont sans motif, évolutifs et biocompatibles.

Le matériau permet la création de composants électroniques complexes qui nécessitent traditionnellement plusieurs couches et matériaux. Il permet également une liaison électronique simple et efficace entre des matériaux souples, des tissus biologiques et des composants électroniques rigides. Avec ses propriétés électroniques contrôlables, le MCP peut enregistrer de manière non invasive les potentiels d’action musculaire de la surface d’un bras (Fig. 3) ou surveiller l’activité cérébrale à grande échelle pendant les procédures neurochirurgicales, telles que l’implantation d’électrodes de stimulation cérébrale profonde.

Ed Interest Transistors organiques Fig3

3. Transistor électrochimique organique interne en mode d’amélioration conformable (e-IGT): (A) Micrographie affichant la vue de dessus d’un e-IGT (en haut) (barre d’échelle, 5 mm). Réseau e-IGT ultra-flexible et ultra-mince épousant la surface d’une main humaine (en bas). (B) micrographie optique d’un appareil basé sur e-IGT avec quatre transistors pour l’enregistrement LFP et de pointe. Le trou d’ancrage facilite l’insertion du dispositif conformable dans des couches profondes de cortex (barre d’échelle, 80 mm). (Source: Université Columbia)

Les chercheurs soutiennent que les matériaux de base pour ces e-IGT et MCP sont facilement disponibles et peu coûteux. Le professeur Khodagholy a ajouté que la prochaine étape consiste à transformer ces composants en dispositifs implantables fonctionnels à long terme qui peuvent enregistrer et moduler l’activité cérébrale pour aider les patients atteints de maladies neurologiques telles que l’épilepsie.

Le travail est détaillé dans deux articles publiés presque simultanément dans différentes revues. Axé sur l’e-IGT, «Transistor à base d’ions en mode d’amélioration en tant qu’interface complète et unité de traitement en temps réel pour l’électrophysiologie in vivo» est en Matériaux de la nature (une version déverrouillée est ici) et renforcée par des informations supplémentaires et cette vidéo:

«Composites particulaires à conduction mixte pour l’électronique douce» se concentre sur le MCP et est publié dans Progrès scientifiques de l’AAAS, ainsi que des documents supplémentaires et cette vidéo:

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