Estudo de celulose microfibrilada incorporada com cloreto de potássio aplicada como matriz sólida dopante em transistores orgânicos eletroquímicos

Abstract

Resumo: Este trabalho investigou o uso potencial de celulose microfibrilada (MFC) incorporada com cloreto de potássio (MFC:KCl) como matriz sólida dopante em transistores orgânicos de porta eletrolítica. Para tal, construíram-se transistores compostos por eletrodos interdigitados de ouro como fonte e dreno, com um filme fino de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) como canal semicondutor, uma placa de tungstênio como eletrodo de porta e a MFC:KCl umedecida em água deionizada como eletrólito. Para comparar com um dispositivo de referência, um transistor similar, mas com eletrólito de KCl solubilizado em água e retido em polidimetilsiloxano (PDMS) foi caracterizado sob as mesmas condições. Com o objetivo de estudar o efeito de outros materiais como eletrodos fonte e dreno, o mesmo experimento foi realizado usando eletrodos interdigitados de óxido de estanho dopado com índio (ITO) como eletrodo para a fonte e o dreno. Acaracterização elétrica envolveu medidas de corrente por tensão simples, curva de transferência e voltametria cíclica. Além disso, também foram realizadas medidas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Raios-X por Dispersão de Energia (EDS) para caracterizar a morfologia ecomposiçãodasmembranasdeMFCeMFC:KCl. Osresultadosobtidosmostraram que a membrana de MFC serve como material de contenção, sem afetar significativamente o desempenho do transistor. Em relação às medidas com MFC:KCl e KCl solubilizado em água, os resultados indicaram que a amostra composta por MFC:KCl umedecida em água como eletrólito exibiu maior estabilidade no desempenho do transistor, quando comparado à amostra de referência. A resposta para esse ganho de estabilidade foi revelada ao se analisar as medidas de voltametria cíclica, que mostraram que a membrana é capaz de reduzir a janela de potencial para operar o dispositivo e atenua os efeitos de hidrólise no eletrólito. Outro detalhe que mostra a melhora na estabilidade dos dispositivos contendo MFC:KCl é que a membrana propicia uma barreira física capaz de retardar reações químicas entre o eletrodo de porta e o eletrólito, ao contrário do que foi observado nas amostras contendo KCl solubilizado em água. Assim, essa pesquisa demonstra a viabilidade de MFC com sais incorporados aplicados como matriz sólida dopante para transistores orgânicos eletroquímicos

Abstract: This work investigates the potential use of microfibrillated cellulose (MFC) incorporated with potassium chloride (MFC:KCl) as a solid doping matrix in electrolyte-gated transistors. To this end, transistors were constructed composed of interdigitated gold electrodes as source and drain electrodes, a thin film of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as the semiconductor channel, a tungsten plate as the gate electrode, and MFC:KCl hydrated with deionized water as the electrolyte. To compare with a reference device, a similar transistor was fabricated, but with KCl dissolved in water as the electrolyte and retained within polydimethylsiloxane (PDMS), and characterized under the same conditions. To study the effect on another material, the same experiment was performed using interdigitated indium tin oxide (ITO) as source and drain electrodes. The electrical characterization involved measurements of current-voltage sweeps, transfer curves, and cyclic voltammetry. Furthermore, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) were used to characterize the morphology and composition of the MFCandMFC:KCl membranes. The results obtained showed that MFC membrane serves as a contention material, without affecting significantly the transistor’s performance. In relation to MFC:KCl moistened in water and KCl solubilized in water measurements, the results indicated that the sample with MFC:KCl moistened in water as electrolyte had bigger stability and performance on the transistor, when compared with the reference sample. The answer for this gain of stability was revealed analying the cyclic voltammetry measurements, that showed that the membrane is capable of reducing the device’s potential of the necessary operating window and mitigates hydrolysis on the electrolyte. Another detail that shows the improvement of the device’s stability is that MFC:KCl membrane has a physical barrier capable of delay chemical reactions between the gate electrode and the electrolyte, in reverse of what it was seen in KCl solubilized in water samples. Thus, this research demonstrates the viability of MFC incorporated with salts applied as solid doping matrix in electrolyte-gated transistors