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Mar 07, 2023

Vertikale elektrochemische Transistoren für Wearables

Ein transdisziplinäres Forschungsteam der Northwestern University hat eine entwickelt

Ein transdisziplinäres Forschungsteam der Northwestern University hat einen Transistor für leichte, flexible und leistungsstarke Bioelektronik entwickelt. Der elektrochemische Transistor ist mit Blut und Wasser kompatibel und kann wichtige Signale verstärken, was ihn besonders für die biomedizinische Sensorik nützlich macht. Ein solcher Transistor könnte tragbare Geräte für die Signalverarbeitung vor Ort direkt an der Schnittstelle zwischen Biologie und Gerät ermöglichen. Mögliche Anwendungen umfassen die Messung des Herzschlags und des Natrium- und Kaliumspiegels im Blut sowie der Augenbewegung zur Untersuchung von Schlafstörungen.

„Alle modernen Elektronikgeräte verwenden Transistoren, die den Strom schnell ein- und ausschalten“, sagt Tobin J. Marks, Mitautor der Studie und Vladimir N. Ipatieff-Professor für katalytische Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences für Materialwissenschaften und -technik sowie Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering. „Hier verwenden wir Chemie, um das Schalten zu verbessern. Unser elektrochemischer Transistor bringt die Leistung auf ein völlig neues Niveau. Sie haben alle Eigenschaften eines herkömmlichen Transistors, aber eine weitaus höhere Transkonduktanz (ein Maß für die Verstärkung, die er liefern kann), ultrastabile Zyklen die Schalteigenschaften, eine kleine Stellfläche, die eine Integration mit hoher Dichte ermöglicht, und eine einfache, kostengünstige Herstellung.“

Der vertikale elektrochemische Transistor basiert auf einem neuartigen elektronischen Polymer und einer vertikalen statt planaren Architektur. Es leitet sowohl Elektrizität als auch Ionen und ist an der Luft stabil. Der Entwurf und die Synthese neuer Materialien sowie die Herstellung und Charakterisierung des Transistors erforderten die Zusammenarbeit von Chemikern, Materialwissenschaftlern und biomedizinischen Ingenieuren.

Marks leitete das Forschungsteam zusammen mit Antonio Facchetti, Forschungsprofessor für Chemie am Weinberg; Wei Huang, jetzt Professor an der University of Electronic Science and Technology of China; und Jonathan Rivnay, Professor für Biomedizintechnik an der McCormick School.

„Dieser aufregende neue Transistortyp ermöglicht es uns, die Sprache sowohl biologischer Systeme, die häufig über ionische Signale kommunizieren, als auch elektronischer Systeme zu sprechen, die mit Elektronen kommunizieren“, sagt Rivnay. „Die Fähigkeit der Transistoren, als gemischte Leiter sehr effizient zu arbeiten, macht sie für bioelektronische Diagnostik und Therapien attraktiv.“

„Mit ihrer vertikalen Architektur können unsere elektrochemischen Transistoren übereinander gestapelt werden“, sagt Facchetti. „So können wir sehr dichte elektrochemische Komplementärschaltungen herstellen, was mit herkömmlichen planaren elektrochemischen Transistoren unmöglich ist.“

Um zuverlässigere und leistungsfähigere elektronische Schaltkreise herzustellen, werden zwei Arten von Transistoren benötigt: Transistoren vom p-Typ, die positive Ladungen tragen, und Transistoren vom n-Typ, die negative Ladungen tragen. Diese Arten von Schaltungen werden Komplementärschaltungen genannt. Die Herausforderung für Forscher in der Vergangenheit bestand darin, dass n-Typ-Transistoren schwierig zu bauen und typischerweise instabil sind.

Dies ist die erste Arbeit, die elektrochemische Transistoren mit ähnlicher und sehr hoher Leistung für beide Typen (p+n) elektrochemischer Transistoren demonstriert. Dies führte zur Herstellung sehr effizienter elektrochemischer Komplementärschaltkreise.

Northwestern University https://www.northwestern.edu

Über die Studie: Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie trägt den Titel „Vertikale organische elektrochemische Transistoren für komplementäre Schaltkreise“. Huang, Jianhua Chen und Yao Yao sind Co-Erstautoren

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