Water-gated polymer-based organic field effect transistors for biosensing applications

This thesis investigates the fabrication and characterization of water-gated organic field-effect transistors (WGOFET), employing organic polymeric materials as the active semiconducting layer, for biosensing applications. Compared to a typical solid state top-gate transistor configuration, a water-based electrolyte substitutes the usual polymeric dielectric, allowing to work at very low voltages (<1V) typical of the biological systems, and opening for the possibility of development of a WGOFET-based biosensing platform. In a first phase of the work we screen the most promising p-channel (holes conducting) semiconducting polymers to be used as active materials for WGOFETs: we finally focus on polymers of the polythiophene family, which exhibit remarkable performances in terms of charge carrier mobility and electrochemical stability as compared to previously demonstrated state-of-the art polymer-based WGOFETs, being able to work also in a biological-like environment (0.2 M molar concentration NaCl solutions). Notably, the critical comparison among different polythiophene-based polymers allows to unravel key physical mechanisms of the hybrid interface between conjugated polymers thin films and saline electrolytes. By employing the best performing polymer among the selected ones, poly(2,5-bis(3-hexadecylthiophen-2-yl)thieno [3,2-b]thiophene) (pBTTT), an electrolyte gated pBTTT-based device is realized, sensitive towards pH and ionic strength of the electrolyte, being stable for more than 24 hours operation. Moreover, the device is modified with the enzyme penicillinase, and a proof-of-concept sensor specifically sensitive towards penicillin is demonstrated. Furthermore, two n-channel electron-conducting polymers are investigated for the first time as active materials in water-gated architectures, demonstrating outstanding performances. By coupling p- and n- type polymers, water-gated complementary inverters are realized, paving the way to the fabrication of complementary circuits working in a liquid environment.

Questo elaborato di tesi tratta la fabbricazione e la caratterizzazione di transistori organici ad effetto di campo aventi una soluzione acquosa come materiale di gate (WGOFETs: water-gated organic field-effect transistors) e semiconduttori organici polimerici come materiale attivo, per applicazioni biosensoristiche. Rispetto alla tipica configurazione “top-gate” dei transistor allo stato solido, nei WGOFETs una soluzione acquosa sostituisce il dielettrico polimerico, permettendo così di operare a tensioni di pilotaggio molto basse (<1V), tipiche dei sistemi biologici, e rendendo possibile lo sviluppo di biosensori basati su tali dispositivi. In una prima fase del lavoro sono stati selezionati i materiali polimerici a canale-p (conduttori di lacune) da utilizzare come materiale attivo per i WGOFETs: si è scelto di concentrarsi su diversi tipi di politiofeni, che dimostrano eccellenti prestazioni in termini di mobilità elettronica e stabilità elettrochimica; inoltre, è stato dimostrato il funzionamento dei transistor anche quando il gate è costituito da soluzione salina di NaCl a concentrazione molare 0.2M, tipica degli ambienti biologici. Il confronto tra i diversi polimeri della famiglia dei politiofeni ha consentito di mettere in luce meccanismi fisici chiave, tipici dell’interfaccia ibrida tra film polimerico e elettroliti salini. Il polimero con le migliori prestazioni tra quelli analizzati, poly(2,5-bis(3-hexadecylthiophen-2-yl)thieno [3,2-b]thiophene) (pBTTT), è stato utilizzato per realizzare un dispositivo con gate elettrolitico, sensibile a variazioni di pH e concentrazione salina dell’elettrolita, in grado di mantenere prestazioni elettroniche ed elettrochimiche stabili dopo più di 24 ore di uso continuato. Inoltre, il dispositivo è stato funzionalizzato con l’enzima penicillinasi ed è stato realizzato un primo prototipo di sensore basato su semiconduttori organici polimerici sensibile all’antibiotico penicillina. Infine, due materiali polimerici a canale-n (conduttori di elettroni) sono stati studiati e caratterizzati per la prima volta in una configurazione WGOFET, dimostrando proprietà estremamente promettenti. Combinando un polimero a canale-p con uno a canale-n, è stato realizzato il primo inverter a tecnologia complementare con gate acquoso, aprendo la strada alla fabbricazione di circuiti integrati operanti in ambiente elettrolitico.