La bioélectronique est un domaine pluridisciplinaire dont l’objectif est le couplage des dispositifs
électroniques avec les systèmes biologiques. La bioélectronique vise l’exploitation des dispositifs
électroniques pour des applications biologiques, comme les systèmes de livraison de médicament
implantables, la peau artificielle, ou encore les capteurs capables d’opérer in vivo ou in vitro. Les
interfaces entre la biologie et l’électronique nécessitent des dispositifs qui soient à la fois
mécaniquement flexibles et étirables, chimiquement inertes, ainsi que, dans certains cas,
biodégradables. La bioélectronique basée sur des matériaux organiques, ou bioélectronique
organique, donne les moyens technologiques de produire des dispositifs électroniques
mécaniquement flexibles ou dégradables, le tout à faible coût sur de larges surfaces.
Les recherches intensives dans le domaine de l’électronique organique ont commencé dans les
années ‘90, avec les premières diodes électroluminescentes, transistors ainsi que cellules
photovoltaïques basés sur des matériaux organiques. Les dispositifs électroniques organiques
deviennent omniprésents dans notre société moderne avec l’introduction sur le marché d’écrans
basés sur l’utilisation de diodes électroluminescentes pour les téléphones cellulaires, les
télévisions et d’autres produits commerciaux. D’autres dispositifs électroniques organiques, tels
que les transistors organiques pour les tags d’identification radiofréquence, devraient faire à leur
tour une entrée sur le marché dans un futur proche. Les matériaux organiques électroniques
présentent plusieurs avantages sur leurs homologues inorganiques, ce qui les rend plus adaptés à
certaines applications spécifiques. L’un des avantages les plus importants réside sans doute dans
la capacité des matériaux organiques électroniques à transporter les porteurs de charge ioniques et
électroniques, pour pouvoir développer de nouveaux dispositifs faisant l’interface avec les
systèmes biologiques. Le transistor organique électrochimique (OECT), qui a trouvé de
nombreuses applications dans les biocapteurs ou dans les dispositifs implantables, en est un bon
exemple. Les OECTs offrent la capacité prometteuse à opérer à de faibles voltages (<1 V) en
solutions aqueuses, où les procédés biologiques ont lieu. Les OECTs peuvent être réalisés
entièrement à l’aide de polymères conducteurs et sont composés d’électrodes appelées source et
drain, ainsi que d’un canal en contact ionique avec une électrode appelée grille via une solution
électrolytique. Le potentiel appliqué à la grille module le courant qui circule dans le canal. Dans
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la plupart des OECTs, l’application d’une différence de potentiel positive à la grille induit une
redistribution réversible des ions positifs à l’intérieur du polymère conducteur composant le canal,
ainsi qu’à l’intérieur de l’électrolyte. Ceci, couplé avec l’injection de charges par la source et le
drain, résulte en un dédopage électrochimique du canal conducteur, qui s’accompagne d’une
diminution du courant source-drain.
Dans cette thèse, nous décrivons la fabrication de différents types d’OECTs, rigides, flexibles ou
encore dégradables, sur des substrats de verre, de plastique ou de shellac dégradable. Des
techniques non-conventionnelles comme la gravure sur parylène et la photolithographie
orthogonale ont été utilisées pour la fabrication des dispositifs. Ces méthodes permettent d’éviter
le contact direct entre les matériaux organiques et d’autres matériaux (i.e. les photorésines, les
solvants et les décapants) typiquement utilisés en photolithographie, évitant ainsi une dégradation
des propriétés électriques. Afin de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement des
OECTs, qui est toujours largement méconnu, ainsi que d’optimiser leurs performances, nous
avons étudié le rôle de leurs composants clé, i.e. l’électrolyte, l’électrode de grille et le substrat.
Nous avons aussi exploré la possibilité de fabriquer un dispositif flexible intégrant un transistor et
un supercondensateur, qui pourrait être intéressant pour des applications dans le domaine du
micro-stockage d’énergie.
Les liquides ioniques (ILs) sont des candidats intéressants pour servir de milieu de grille (gating
medium) dans les OECTs. Néanmoins, les ILs présentent une viscosité excessivement élevée qui
empêche de les utiliser directement dans les OECTs. Nous rapportons ici deux approches
permettant d’utiliser le liquide ionique hautement visqueux triisobutyl(méthyl)phosphonium
tosylate (Cyphos® IL 106) dans des OECTs basés sur le poly(3,4-éthylènedioxythiophène)
polystyrènesulfonate (PEDOT:PSS). Ces deux approches sont l’utilisation d’un mélange binaire
IL-H2O et l’utilisation de gels ioniques. Ces formulations du milieu de grille mènent à une
augmentation de la modulation de l’OECT, comparativement aux résultats obtenus avec le
liquide ionique pur. En utilisant des grilles en carbone activé de grande surface, des ratios
ON/OFF allant jusqu’à 5000 ont été obtenus avec les mélanges Cyphos® IL 106–H2O à 5% et 10%
de H2O, v/v.
Des OECTs planaires utilisant du PEDOT:PSS comme matériau pour le canal, du carbone
nanostructuré comme matériau pour l’électrode de grille et du gel poly(sodium 4-styrènesulfonate)
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(PSSNa) comme électrolyte ont été fabriqués sur des substrats flexibles de poly(téréphtalate
d'éthylène) (Mylar®). Le carbone nanostructuré a été déposé à température ambiante par
déposition supersonique de faisceaux en agrégats (SCBD). L’OECT résultant se comporte
comme un supercondensateur hybride (ce qui donne un dispositif que nous avons appelé
transcap). La capacité à stocker l’énergie des transcaps a été étudiée dans deux configurations :
l’une utilise le PEDOT:PSS comme électrode positive et le carbone nanostructuré comme
électrode negative, tandis que la deuxième configuration inverse la polarité des électrodes. Les
études de la charge/décharge potentiostatique révèlent que les deux supercondensateurs montrent
de bonnes performances en termes de rétention de voltage. Ceci est particulièrement vrai quand
du PEDOT:PSS est utilisé comme électrode positive. Les caractéristiques de la charge/décharge
galvanostatique présentent une forme triangulaire symétrique typique, ce qui indique un
comportement capacitif quasiment idéal, avec une haute efficacité coulombienne (proche de
100%).
Enfin, nous avons développé des OECTs “verts”, qui emploient des substrats dégradables et de
l’eau comme milieu de grille. Des OECTs fabriqués sur du PET (polytéréphtalate d’éthylène) ont
été transférés sur un substrat de shellac par transfer printing. Afin d’étudier l’effet de grille en
présence d’eau comme milieu de grille, nous avons utilisé une électrode de grille en carbone
activé ainsi qu’une électrode de grille en PEDOT:PSS. Les résultats ont montré que les OECTs
utilisant des grilles en carbone activé présentent une réponse en courant plus lente et une
modulation de courant plus élevée que les grilles en PEDOT:PSS. Le substrat en shellac peut être
dégradé en utilisant une solution de KOH à une concentration 1 M.
Nos études sur différents électrolytes, grilles de grande surface spécifique et substrats ont permis
des avancées significatives dans le domaine des OECTs, qui vont mener vers de nouvelles
applications in vivo et in vitro. De plus, les OECTs peuvent être utilisés comme des dispositifs de
stockage d’énergie. Le concept de transcap intégrant un transistor organique électrochimique et
un supercondensateur peut être davantage optimisé pour obtenir des temps de réponse plus
rapides et une autodécharge plus faible, ainsi que des propriétés électriques et de stockage
d’énergie optimisées.
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Organic electronics, which use thin films or single crystals of organic π-conjugated materials as
semiconductors, enable technologies for large-area, mechanically flexible and low-cost
electronics.
Intense research in organic electronics started in the 90s, with the demonstration of the first lightemitting
diodes, transistors and solar cells based on organic materials. Today, such devices are
becoming ubiquitous in our society as they can be found in displays based on organic lightemitting
diodes in mobile phones, televisions and many other consumer devices. Other organic
electronic devices, such as transistors for radio frequency identification tags, are expected to enter
the market in the near future. Organic electronic materials present several advantages over
inorganic ones, which make them more viable for targeted applications. One the most significant
advantages of organic materials is their ability to transport both ionic and electronic charges,
which can be exploited in bioelectronics, a multidisciplinary field that deals with the coupling of
electronic devices with biological systems.
The primary goal of bioelectronics is to exploit electronic devices for biological applications,
such as implants, drug delivery systems, artificial skin, and sensors for in vivo or in vitro
environments. Interfaces between biological systems and electronics require devices that are
mechanically flexible and stretchable, chemically inert and in some cases biodegradable.
Bioelectronics based on organic materials, known as organic bioelectronics, especially promising
because promise to yield devices that are able to combine ionic and electronic transport and to
offer improved mechanical interfaces with living tissues, due to the soft nature of the polymer
surface.
An example of a bioelectronic device is the organic electrochemical transistor (OECT), which
has found applications in biosensors and implantable devices. OECTs are attractive because of
their ability to operate at low voltages (< 1 V) in aqueous solutions, where biological processes
take place. OECTs can be composed solely of conducting polymers and consist of source and
drain electrodes and a channel in ionic contact with a gate electrode via an electrolyte solution.
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The gate voltage modulates the current flowing in the channel. In most OECTs, the application of
a positive gate bias induces a reversible redistribution of positive ions within the conducting
polymer channel and the electrolyte. This, together with charge injection from source and drain,
results in electrochemical dedoping of the conducting channel, accompanied by a decrease of the
source-drain current.
In this thesis, we have fabricated rigid, flexible and degradable OECTs on glass, plastics and
degradable shellac substrates. Unconventional techniques such as parylene patterning and
orthogonal photolithography have been used for device fabrication. These processing techniques
let us avoid placing organic materials in contact with other materials (such as photoresists,
solvents and strippers) typically used in photolithography, which can result in the degradation of
the electrical properties of the organics. To understand how OECTs work and to optimize their
performance, we have investigated the role of their main components (electrolyte, gate electrode
and substrate). Moreover, we have realized a flexible device integrating a transistor and a
supercapacitor, for applications in energy micro-storage.
Ionic liquids (ILs) are interesting candidates as gating media in OECTs. However, ILs can exhibit
excessively high viscosity that prevents their straightforward use. We report two ways to employ
the highly viscous ionic liquid triisobutyl(methyl)phosphonium tosylate (Cyphos® IL 106) in
OECTs based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS), namely
IL–H2O binary mixtures and ion gels. The use of these formulations as gating media increases the
OECT modulation with respect to experiments where pure ionic liquids are used. Using high
surface area activated carbon gates, we achieved ON/OFF ratios as high as 5000 with Cyphos®
IL 106–H2O mixtures at 5 and 10% H2O v/v.
Planar OECTs using PEDOT:PSS as the channel material, nanostructured carbon as the gate
electrode material and poly(sodium 4-styrenesulfonate (PSSNa) gel as the electrolyte were
fabricated on flexible polyethylene terephthalate (Mylar®) substrates. Nanostructured carbon was
deposited at room temperature by supersonic cluster beam deposition (SCBD). Interestingly, the
OECT acts as a hybrid supercapacitor to give a device that we called transcap. The energy
storage ability of transcaps has been studied with two configurations: one features PEDOT:PSS
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as the positive electrode and nanostructured carbon as the negative electrode; the other has a
reversed electrode polarity. Potentiostatic charge/discharge studies show that both
supercapacitors show good performance in terms of voltage retention, particularly when
PEDOT:PSS is used as the positive electrode. Galvanostatic charge-discharge characteristics
show typical symmetric triangular shape, indicating a nearly ideal capacitive behaviour with a
columbic efficiency close to 100%.
Finally, we developed “green” OECTs, which employ degradable substrates and water as the
gating medium. OECTs were patterned onto degradable shellac substrates by transfer printing. To
explore the gate effect in presence of water as the gating medium, we have employed AC gate
electrodes and PEDOT:PSS gate electrodes. Results indicate that OECTs with AC gates have
slower current response and higher current modulation than those with PEDOT:PSS gates. The
shellac substrate can be degraded in 1 M KOH solution.
Our study of various electrolytes, high specific surface area gates and diverse substrates has
significantly advanced the knowledge in the field of OECTs, thereby paving the way to
applications in vivo and in vitro. Interestingly, OECTs can be used as energy storage devices.
The concept of a transcap integrating an organic electrochemical transistor and a supercapacitor
can be further optimized to achieve faster time responses, decreased self-discharge and optimized
electrical and energy storage properties