Printed n-type and p-type water gated organic field-effect transistors

Water Gated Organic Field Effect Transistors (WGOFETs) are electrolyte gated transistors exploiting water as gating medium. This peculiar configuration allows the device to operate at very low voltage ($<1,V$) making it the ideal candidate for the new generation of biosensors. In this framework WGOFETs provide numerous advantages with respect to devices based on inorganic materials, such as Silicon, and over conventional organic transistors. The use of organic compounds allows for the compatibility of molecules of biological interest (e.g. proteins or DNA strands) with the materials used and for the realization of devices on flexible substrates through low cost manufacturing processes. Furthermore, the aqueous medium and low voltage operation are ideal in the biological context, even in vivo, overcoming the limits of conventional organic transistors. In this thesis the inkjet printing technique is used for the fabrication of p-type and n-type WGOFETs. In literature p-type WGOFETs are the most widely explored. Here it has been demonstrated the possibility to realize inkjet printed p-type WGOFETs with performances comparable to, or better than state-of-the-art devices fabricated with less scalable and less versatile techniques. The insights learned from working with p-type WGOFETs have been employed for the fabrication of n-type WGOFETs, which are seldom reported in the literature, achieving excellent results in terms of electrical performance. This provides the basis for the study and production of biosensors based on n-type WGOFETs, which opens the way to new opportunities in the world of bioelectronics, such as digital circuit design and better integration between electronic systems and biosensors.

I Water Gated Organic Field Effect Transistor (WGOFET) sono transistor organici ad effetto campo in cui il dielettrico di gate è rappresentato da una goccia d'acqua. Questo particolare tipo di configurazione permette di operare il dispositivo a tensioni molto basse ($<1,V$) e ne rende il candidato ideale per una nuova generazione di biosensori. In questo contesto gli WGOFETs forniscono numerosi vantaggi sia rispetto a device realizzati con materiali inorganici, come il Silicio, sia rispetto a transistor organici convenzionali. L'utilizzo di composti organici permette la compatibilità di molecole di interesse biologico (ad esempio proteine o stringe di DNA) con i materiali impiegati e la realizzazione di dispositivi su substrati flessibili attraverso processi di fabbricazione economici. Inoltre la possibilità di inserire analiti e biorecettori in un ambiente a base acqua in cui interagire e di operare a tensioni molto basse sono le condizioni ideali per effettuare misurazioni in contesti biologici, anche in vivo, e per superare i limiti dei transistor organici convenzionali. In questo lavoro di tesi la tecnica di stampa a getto di inchiostro è stata utilizzata per la fabbricazione di WGOFET di tipo p ed n. In letteratura i WGOFET di tipo p sono molto diffusi e studiati. In questo caso è stata dimostrata la possibilità di realizzare WGOFET di tipo p tramite la stampa a getto di inchiostro con performance equiparabili, se non migliori, a device dello stato dell'arte prodotti con tecniche meno versatili e difficilmente scalabili. I metodi appresi lavorando con i WGOFET di tipo p sono poi stati impiegati nella fabbricazione di WGOFET di tipo n, i quali sono raramente riportati in letteratura, ottenendo risultati eccellenti in termini di performance elettriche. Questo fornisce le basi per lo studio e la produzione di biosensori basati su WGOFET di tipo n che potrebbero ampliare le possibilità nel mondo della bioelettronica, tramite la progettazzione di circuiti digitali e la possibilità di una migliore integrazione tra biosensori e sistemi elettronici.