[论文解读] 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 20

一句话总结

本文提出一种受生物启发的自适应传感方法，通过原位电聚合技术调节有机电化学晶体管（OECTs）中的离子-电子耦合，实现对跨导和阻抗的按需调控。通过在后制备阶段调控PEDOT:PSS微畴结构，该方法使跨导提升150%，变异性降低60%，相较于标准旋涂OECTs，对生物信号分类具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 开发一种后制备方法，用于调节有机电化学晶体管（OECTs）中的离子-电子耦合，以实现自适应传感。
• 实现跨导和阻抗的按需调节，以匹配多样的传感需求。
• 研究电聚合如何改变PEDOT:PSS微畴结构及其对离子-电子特性的影响。
• 提升OECT性能指标，如跨导和变异性，以适用于生物传感应用。
• 展示该技术在生物信号处理中分类电压脉冲频率的实用性。

提出的方法

• 在微加工后应用电聚合，以改变OECTs中PEDOT:PSS的形貌和离子-电子耦合。
• 该技术通过控制聚合度和微畴组织，实现对跨导和阻抗的原位调控。
• 采用拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）表征PEDOT微畴的结构与形貌变化。
• 量化PEDOT:PSS的体积电容和有效迁移率作为影响OECT性能的关键参数。
• 通过电学测量验证该方法，显示跨导提升且变异性降低。
• 测试电压脉冲频率分类，以评估其在生物信号分类中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原位电聚合如何改变OECTs中PEDOT:PSS的微结构？
• RQ2 通过电聚合，跨导和阻抗在后制备阶段可调节的范围有多大？
• RQ3 PEDOT:PSS的体积电容和有效迁移率如何影响OECT性能？
• RQ4 电聚合能否在提升跨导的同时降低OECT的器件变异性？
• RQ5 可调谐OECT能否有效分类与生物信号处理相关的电压脉冲频率？

主要发现

• 电聚合通过后制备改性，实现了对OECTs中跨导和阻抗的精确、按需调控。
• 与标准旋涂OECTs相比，跨导提高了150%。
• 由于受控电聚合带来的形态均匀性提升，器件变异性降低了60%。
• 拉曼光谱和显微技术证实，电聚合优化了PEDOT微畴的组织结构。
• 体积电容和有效迁移率分别被证明显著影响跨导和阻抗。
• 该技术可有效实现电压脉冲频率的硬件分类，适用于实时生物信号分类。