Modellierung Organischer Elektrochemischer Transistoren und Sensoren

• Antragsteller: Professor Dr. Fabio La Mantia; Professor Dr.-Ing. Björn Lüssem
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524736815

Organische Elektrochemische Transistoren (OECTs) stellen ein neues Paradigma der flexiblen und tragbaren Elektronik dar. Auf OECT basierende Sensoren erreichen nicht nur eine hohe Selektivität, sondern profitieren zudem von der inhärenten Verstärkung des Messsignales durch den Transistor. Dies resultiert in einer hohen Sensitivität und einem optimierten Signal- zu Rauschverhältnis. OECTs basieren auf sogenannten gemischten Halbleitern, die mechanisch flexibel und dehnbar sind und die - in manchen Fällen – Beschädigungen selbst heilen können. Zudem sind diese Materialien biokompatibel, was sie zu idealen Kandidaten für verschiedenste Anwendungen in den Gesundheitswissenschaften macht. Oft basieren Fortschritte in der OECT-Forschung jedoch auf einem heuristischen Ansatz, und grundlegende Untersuchungen zur Funktionsweise des Bauelementes können zurzeit nicht Schritt halten. Es bestehen große Lücken im Verständnis der OECTs. Insbesondere fehlt ein experimentell validiertes Modell, was eine gezielte Optimierung der Sensoren und auch eine Formulierung synthetischer Ziele für neue Materialien unmöglich macht. Das hier vorliegende Projekt adressiert diese Forschungslücke. Unser Forschungsziel ist die Erstellung eines experimentell validierten Models organischer elektrochemischer Sensoren, das von der OECT Forschungsgemeinde zur gezielten Optimierung von organischen elektrochemischen Sensoren genutzt werden kann. Um dieses übergeordnete Ziel zu erreichen, werden die folgenden Unterziele verfolgt: i) Ein neuer numerischer Ansatz wird implementiert, der den Transport von verschiedenen geladenen und ungeladenen Spezies in OECTs und chemische Reaktionen konsistent beschreibt, ii) dieses Modell wird durch elektrische und optische Charakterisierung validiert. Weiterhin wird das Modell verwendet um iii) den Sensoreffekt in OECTs zu beschreiben und zu optimieren. Das Projekt hat das Potential das Forschungsfeld der organischen Bioelektronik entscheidend zu beeinflussen, da es verschiedene Wissenslücken adressiert. Die Grundlagen des gemischten Ladungstransport bestehend aus Ionen und Löchern werden studiert, es wird untersucht, wie diese beiden Ladungsträgersysteme ein gemeinsames Gleichgewicht finden, und Modelle zur Beschreibung der Löcherinjektion in Anwesenheit von Redox Reaktionen werden erstellt. Der Sensormechanismus wird im Detail untersucht und in bestehende OECT Modelle integriert, und es wird geklärt, wie das Messsignal durch den OECT verstärkt wird. Neben diesem direkten Einfluss auf die Bioelektronik ist das im Projekt entwickelte Modell ein weiterer essentieller Baustein zur Kommerzialisierung der OECT Technologie und trägt dazu bei, OECTs zu einer Schlüsseltechnologie der tragbaren Elektronik mit Anwendungen in der Pflege, den Gesundheits- und den Neurowissenschaften zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Ingmar Bösing
• Kooperationspartner: Dr. Scott Keene