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Mar 07, 2023

Transistori elettrochimici verticali per dispositivi indossabili

A transdisciplinary Northwestern University research team has developed a

Un gruppo di ricerca transdisciplinare della Northwestern University ha sviluppato un transistor per la bioelettronica leggera, flessibile e ad alte prestazioni. Il transistor elettrochimico è compatibile con sangue e acqua e può amplificare segnali importanti, rendendolo particolarmente utile per il rilevamento biomedico. Un transistor di questo tipo potrebbe abilitare dispositivi indossabili per l’elaborazione del segnale in loco, proprio nell’interfaccia biologia-dispositivo. Le potenziali applicazioni includono la misurazione del battito cardiaco e dei livelli di sodio e potassio nel sangue, nonché il movimento degli occhi per lo studio dei disturbi del sonno.

"Tutta l'elettronica moderna utilizza transistor, che accendono e spengono rapidamente la corrente", afferma Tobin J. Marks, co-autore corrispondente dello studio e professore di chimica catalitica Vladimir N. Ipatieff al Weinberg College of Arts and Sciences e professore di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering. "Qui utilizziamo la chimica per migliorare la commutazione. Il nostro transistor elettrochimico porta le prestazioni a un livello completamente nuovo. Hai tutte le proprietà di un transistor convenzionale ma una transconduttanza molto più elevata (una misura dell'amplificazione che può fornire), ciclo ultra-stabile di le proprietà di commutazione, un ingombro ridotto che può consentire un'integrazione ad alta densità e una fabbricazione facile e a basso costo."

Il transistor elettrochimico verticale si basa su un nuovo tipo di polimero elettronico e su un'architettura verticale, anziché planare. Conduce sia l'elettricità che gli ioni ed è stabile nell'aria. La progettazione e la sintesi di nuovi materiali, nonché la fabbricazione e la caratterizzazione del transistor, hanno richiesto la collaborazione di esperti di chimici, scienziati dei materiali e ingegneri biomedici.

Marks ha guidato il gruppo di ricerca insieme ad Antonio Facchetti, professore di ricerca di chimica a Weinberg; Wei Huang, ora professore presso l'Università di Scienza e Tecnologia Elettronica della Cina; e Jonathan Rivnay, professore di ingegneria biomedica alla McCormick School.

"Questo nuovo entusiasmante tipo di transistor ci permette di parlare la lingua sia dei sistemi biologici, che spesso comunicano tramite segnali ionici, sia dei sistemi elettronici, che comunicano con gli elettroni", afferma Rivnay. "La capacità dei transistor di funzionare in modo molto efficiente come conduttori misti li rende interessanti per la diagnostica e le terapie bioelettroniche."

"Grazie alla loro architettura verticale, i nostri transistor elettrochimici possono essere impilati uno sopra l'altro", afferma Facchetti. "Pertanto, possiamo realizzare circuiti elettrochimici complementari molto densi, cosa impossibile per i transistor elettrochimici planari convenzionali."

Per realizzare circuiti elettronici più affidabili e potenti, sono necessari due tipi di transistor: transistor di tipo p che trasportano cariche positive e transistor di tipo n che trasportano cariche negative. Questi tipi di circuiti sono chiamati circuiti complementari. La sfida che i ricercatori hanno dovuto affrontare in passato è che i transistor di tipo n sono difficili da costruire e sono generalmente instabili.

Questo è il primo lavoro che dimostra transistor elettrochimici con prestazioni simili e molto elevate per entrambi i tipi di transistor elettrochimici (p+n). Ciò ha portato alla fabbricazione di circuiti complementari elettrochimici molto efficienti.

Università della Northwestern https://www.northwestern.edu

Informazioni sullo studio: Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, è intitolato "Transistori elettrochimici organici verticali per circuiti complementari". Huang, Jianhua Chen e Yao Yao sono i primi autori

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