Le transistor électrochimique vertical fait avancer l’électronique portable

Une équipe de recherche transdisciplinaire de la Northwestern University a mis au point un transistor révolutionnaire qui devrait être idéal pour la bioélectronique légère, flexible et performante.

Le transistor électrochimique est compatible avec le sang et l’eau et peut amplifier des signaux importants, ce qui le rend particulièrement utile pour la détection biomédicale. Un tel transistor pourrait activer des dispositifs portables pour le traitement du signal sur site, directement à l’interface biologie-dispositif. Les applications potentielles incluent la mesure du rythme cardiaque et des niveaux de sodium et de potassium dans le sang ainsi que le mouvement des yeux pour étudier les troubles du sommeil.

“Toute l’électronique moderne utilise des transistors, qui allument et éteignent rapidement le courant”, a déclaré Tobin J. Marks, co-auteur correspondant de l’étude. “Ici, nous utilisons la chimie pour améliorer la commutation. Notre transistor électrochimique porte les performances à un niveau totalement nouveau. Vous avez toutes les propriétés d’un transistor conventionnel mais une transconductance bien plus élevée (une mesure de l’amplification qu’il peut fournir), un cycle ultra-stable de les propriétés de commutation, un faible encombrement qui peut permettre une intégration à haute densité et une fabrication simple et peu coûteuse.”

Marks est un leader mondial dans les domaines de la science des matériaux et de l’électronique organique. Il est professeur Vladimir N. Ipatieff de chimie catalytique au Weinberg College of Arts and Sciences et professeur de science et génie des matériaux et de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering.

Le transistor électrochimique vertical est basé sur un nouveau type de polymère électronique et une architecture verticale au lieu de planaire. Il conduit à la fois l’électricité et les ions et est stable dans l’air. La conception et la synthèse de nouveaux matériaux ainsi que la fabrication et la caractérisation du transistor ont nécessité l’expertise collaborative de chimistes, de scientifiques des matériaux et d’ingénieurs biomédicaux.

Marks a dirigé l’équipe de recherche avec Antonio Facchetti, professeur de recherche en chimie à Weinberg ; Wei Huang, aujourd’hui professeur à l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine ; et Jonathan Rivnay, professeur de génie biomédical à la McCormick School.

“Ce nouveau type de transistor passionnant nous permet de parler à la fois le langage des systèmes biologiques, qui communiquent souvent via une signalisation ionique, et des systèmes électroniques, qui communiquent avec des électrons”, a déclaré Rivnay. “La capacité des transistors à fonctionner très efficacement en tant que” conducteurs mixtes “les rend attrayants pour les diagnostics et les thérapies bioélectroniques.”

Cette étude détaillant le transistor électrochimique efficace et un article News & Views qui l’accompagne ont été publiés cette semaine par la revue La nature.

“Grâce à leur architecture verticale, nos transistors électrochimiques peuvent être empilés les uns sur les autres”, a déclaré Facchetti. “Ainsi, nous pouvons réaliser des circuits complémentaires électrochimiques très denses, ce qui est impossible pour les transistors électrochimiques planaires classiques.”

Pour rendre les circuits électroniques plus fiables et plus puissants, deux types de transistors sont nécessaires : les transistors de type p qui portent des charges positives et les transistors de type n qui portent des charges négatives. Ces types de circuits sont appelés circuits complémentaires. Le défi auquel les chercheurs ont été confrontés dans le passé est que les transistors de type n sont difficiles à construire et sont généralement instables.

Il s’agit du premier travail à démontrer des transistors électrochimiques avec des performances similaires et très élevées pour les deux types de transistors électrochimiques (p+n). Cela a abouti à la fabrication de circuits complémentaires électrochimiques très efficaces.