[論文レビュー] Bio-inspired adaptive sensing through electropolymerization of organic electrochemical transistors

Mahdi Ghazal, Michel Daher Mansour+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Conducting polymers and applicationsMaterials Science参考文献 44被引用数 20

ひとこと要約

本論文では、生体にインspiredされた適応型センシング手法を提示し、有機電気化学的トランジスタ（OECT）におけるイオン-電子結合を現地で電気重合することで調整する。これにより、トランスコンダクタンスとインピーダンスのオンデマンド制御が可能となり、後工程でのPEDOT:PSSのマイクロドメイン構造の改変によって、標準的なスピンコーティングOECTと比較してトランスコンダクタンスを150%向上させ、ばらつきを60%低減した。この成果は、バイオシグナル分類に応用可能である。

ABSTRACT

Organic Electrochemical Transistors are considered today as a key technology to interact with biological medium through their intrinsic ionic-electronic coupling. In this paper, we show how this coupling can be finely tuned (in operando) post-microfabrication via electropolymerization technique. This strategy exploits the concept of adaptive sensing where both transconductance and impedance are tunable and can be modified on-demand to match different sensing requirements. Material investigation through Raman spectroscopy, atomic force microscopy and scanning electron microscopy reveals that electropolymerization can lead to a fine control of PEDOT microdomains organization, which directly affect the iono-electronic properties of OECTs. We further highlight how volumetric capacitance and effective mobility of PEDOT:PSS influence distinctively the transconductance and impedance of OECTs. This approach shows to improve the transconductance by 150% while reducing their variability by 60% in comparison with standard spin-coated OECTs. Finally, we show how to the technique can influence voltage spike rate hardware classificationwith direct interest in bio-signals sorting applications.

研究の動機と目的

• 有機電気化学的トランジスタ（OECT）におけるイオン-電子結合の後工程での調整法を開発し、適応型センシングを実現すること。
• 多様なセンシング要件に適合するために、トランスコンダクタンスとインピーダンスのオンデマンド調整を可能にすること。
• 電気重合がPEDOT:PSSのマイクロドメイン構造に与える影響およびそのイソエレクトロニクス的性質に与える影響を調査すること。
• バイオセンシング応用におけるOECTの性能指標（トランスコンダクタンスやばらつき）を向上させること。
• 本技術がバイオシグナル処理に向けた電圧スパイクレート分類にどのように応用可能かを実証すること。

提案手法

• 微細加工後、PEDOT:PSSの形態およびイオン-電子結合を変化させるために、電気重合を適用する。
• 重合度およびマイクロドメイン構造の制御により、OECTにおけるトランスコンダクタンスとインピーダンスのインサイトでの調整が可能となる。
• PEDOTマイクロドメインの構造的・形態的変化を同定するために、ラマン分光法、原子間力顕微鏡（AFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いる。
• OECT性能に影響を与える主要なパラメータとして、体積容量およびPEDOT:PSSの有効移動度を定量的に評価する。
• 電気的測定により、トランスコンダクタンスの向上とばらつきの低減を確認することで、本手法の妥当性を検証する。
• バイオシグナルの分類応用を評価するために、電圧スパイクレート分類のテストを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現地での電気重合は、OECTにおけるPEDOT:PSSのマイクロ構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 電気重合により、OECTのトランスコンダクタンスとインピーダンスをどの程度後工程で調整可能か？
• RQ3 PEDOT:PSSの体積容量および有効移動度は、OECT性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 電気重合により、OECTのトランスコンダクタンスを向上させつつ、デバイスばらつきを低減できるか？
• RQ5 調整可能なOECTは、バイオシグナル処理に関連する電圧スパイクレートを効果的に分類できるか？

主な発見

• 電気重合により、OECTにおけるトランスコンダクタンスとインピーダンスを後工程で正確かつオンデマンドで調整可能である。
• 標準的なスピンコーティングOECTと比較して、トランスコンダクタンスが150%向上した。
• 制御された電気重合による形態の均一性向上のおかげで、デバイスばらつきが60%低減した。
• ラマン分光法および顕微鏡法により、電気重合がPEDOTマイクロドメイン構造の整列を向上させることを確認した。
• 体積容量と有効移動度が、それぞれトランスコンダクタンスおよびインピーダンスに顕著に影響することが示された。
• 本技術により、リアルタイムのバイオシグナル分類に適した電圧スパイクレートのハードウェア分類が実現可能となった。