Organic Thin-film Transistors for pH Detection

  • PDF / 485,370 Bytes
  • 6 Pages / 612 x 792 pts (letter) Page_size
  • 75 Downloads / 255 Views

DOWNLOAD

REPORT


1253-K02-07

Organic Thin­Film Transistors for pH detection. M. Demelas1,2, A. Caboni1, M. Barbaro1, A. Bonfiglio1,2 1 University of Cagliari Department of Electrical and Electronic Engineering, Italy. 2  S3­INFM­CNR, Modena, Italy. ABSTRACT A novel, flexible and ductile organic field­effect transistor (OFET) able to detect pH  changes in chemical solutions has been realized and successfully tested. With respect to other  organic pH sensors, based on an ISFET­like structure, in our approach the organic transistor is  completely separated from the sensing active area and its gate is left floating. The device is  biased with a fourth electrode (control­gate) capacitively coupled to the floating­gate. The  floating­gate is functionalized by deposition of a layer of thio­amines able to protonize  proportionally to the pH value of the solution thus modulating the drain current. The structure  does not need an Ag/AgCl counter­electrode since the control­gate is not in contact with the  solution. Moreover, the sensing mechanism does not depend on the choice of the dielectric and  semiconductor material since the working principle is based on charge separation in the metal  induced by the electric field. This structure also simplifies the realization of the fluidics since all  the contactable electrodes (drain, source and control­gate) are on the same side of the substrate.  A differential measurement approach was adopted in order to get rid of device aging and  process­related fluctuations. With the same structure, other chemical species may be detected  provided that a proper functionalization procedure is adopted. INTRODUCTION In recent years interest in organic electronics has grown increasingly because of some  specific properties of organic devices. Organic devices may be produced following very simple  procedures such as low­temperature deposition and solution processing [1]­[3]. Besides the  relative ease of processing, organic materials are flexible and tough; these good mechanical  properties make organic materials naturally compatible with low­cost substrates such as glass,  plastic or metal foils [4].  A lot of research has been done on organic thin­film transistors (OTFTs) and there are  many practical applications: recently, organic thin­film transistors have been employed to make  disposable sensors [5]. Organic electronics are not intended to replace inorganic electronics: low  mobility in organic semiconductors, for example, makes the OTFTs not suitable for use in  applications requiring high speed switching, or high mobility of charge carriers. In any case, the  devices to be interfaced with biological systems require more biocompatibility than high speed  switching; therefore, plastic electronics can suit that need [6]. Furthermore, typical intrinsic  restrictions like short­term stability and lifetime, performance degradation and instability are less  important when the aim is to obtain single­use devices.  Bartic et al. [7] proposed a first example of an ion­sensitive organic field effect transistor  (I