JP5043283B2 - 電気化学装置 - Google Patents
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Description
‐ソース接点、
‐ドレイン接点、
‐少なくとも1つのゲート電極、
‐ソース接点とドレイン接点との間に配置してあり、これらの接点と直接電気接触している電気化学的にアクティブな要素であって、トランジスタ・チャネルを含み、そして、そのレドックス状態の変化を介してその導電率を電気化学的に変える能力を有する有機材料を含む材料で作られている電気化学的にアクティブな要素、および、
‐電気化学的にアクティブな要素および前記少なくとも1つのゲート電極と直接的に電気接触しており、電気化学的にアクティブな要素および前記ゲート電極間の電子の流れを阻止するようにそれらの間に介在する凝固電解液
からなり、
それによって、
ソース接点、ドレイン接点間の電子の流れが、前記ゲート電極に印加された電圧によって制御可能となる。
装置は、横方向装置構造を使用する。凝固電解液の層は、少なくとも部分的にゲート電極を覆うと共に、電気化学的にアクティブな要素を覆うように配置されると有利である。凝固電解液のこの層は、2つの主タイプのトランジスタ構造のどちらを実現しようとしているかに部分的に依存して、連続的であってもよいし、非連続的であってもよい(以下を参照)。
ので、ゲート電圧の除去により、レドックス反応の自動的な逆転が生じ、その結果、トランジスタ・チャネルの初期導電率が再確立される。従来技術の電気化学トランジスタとは対照的に、本発明のこの実施例によるダイナミック・トランジスタが、逆転バイアスを必要とすることなく自動的に初期導電率状態に戻ることは強調されるべきであろう。
定義
双安定電気化学トランジスタ:ゲート電圧が除去されたときに、トランジスタ・チャネルがそのレドックス状態(それ故、その導電率特性)を保持する電気化学トランジスタ装置。
定され、流れたり、漏れたりすることがない電解液を意味する。好ましいケースにおいては、このような電解液は、適切な流動学的な性質を有し、一体シートまたはパターンとして支持体上にこの材料を容易に装着することができる。堆積後、電解液は、溶媒の蒸発の際に凝固し、または、化学的試薬の添加または紫外、赤外線またはマイクロ波の照射、冷却のような物理的効果または任意他の手段によってもたらされる化学架橋反応のために凝固しなければならない。凝固電解液は、好ましくは、ゼラチンまたは重合ゲルのような水様または有機溶媒含有ゲルからなる。しかしながら、固体の重合電解液も考えられ、それも本発明の範囲内にある。さらに、この定義は、また、適切なマトリクス材料、たとえば、紙、ファブリックまたは多孔性ポリマーに吸収させた電解溶液またはこのようなマトリクス材料が主役となる任意他の方法での電解溶液も含む。本発明の或る種の実施例においては、この材料は、実際に、電気化学トランジスタ装置を配置した支持体であり、その結果、支持体が装置の一体の作動部分となる。
好ましくは、凝固電解液は、バインダを含む。このバインダは、ゲル化特性を有すると好ましい。バインダは、好ましくは、ゼラチン、ゼラチン誘導体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリ(ビニルピロリドン)、多糖類、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、ポリプロピレン酸化物、ポリエチレン酸化物、ポリ(スチレンスルホン酸)、ポリ(ビニルアルコール)およびそれらの塩およびコポリマーからなるグループから選択されると好ましい。そして、場合によっては架橋結合されていてもよい。凝固電解液は、好ましくは、さらに、イオン塩、好ましくは、使用されるバインダがゼラチンである場合にはマグネシウム硫酸塩を含む。凝固電解液は、好ましくは、さらに、水分を維持するために塩化マグネシウムのような吸湿性塩を含む。
電気化学的にアクティブな要素の有機材料のパターン化および接点、電極、電解液を異なった方法でパターン化することによって、2つの主要なタイプの電気化学トランジスタ装置を実現できる。これらの主要なタイプ、すなわち、双安定電気化学トランジスタ装置およびダイナミック電気化学トランジスタ装置を、それらの図およびそれらの作動原理の概略を参照しながら以下に説明する。
双安定(タイプ1)トランジスタおよびダイナミック・トランジスタは、対イオンとしてポリ(スチレンスルホン酸塩)を有する部分的に酸化されたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)のフィルム(本明細書では、しばしば、PEDOT:PSSと呼ぶ)をT字形の構造へパターン化することによって実現された。設計は、それぞれ、図1、2に示す双安定トランジスタおよびダイナミック・トランジスタの概略的な図面に従った。その当初の、部分的に酸化された状態において、PEDOT:PSSフィルムは、導電性であり、電気化学的にPEDOT:PSSを還元することによってトランジスタ・チャネルにおける電流を変調する機会を提供する。すべての処理および材料処理は、周囲大気内で行われた。
双安定トランジスタ:図1A、1Bに概略的に示した双安定トランジスタを実現した。この双安定トランジスタは、600μmのトランジスタ・チャネル幅および800μmのゲル幅を有し、トランジスタ・チャネルは0.48cm2であった。しかしながら、反応性イオン・プラズマ・エッチングと組み合わせて、フォトリソグラフ・フォトレジスト・パターン化を使用してより小さい寸法のテストも成功した。これらの装置は、5〜20μmのチャネル幅と20μmのゲル幅を持っていた。
gm=δIds/δVg(Vds=常数)
この双安定トランジスタ装置の相互コンダクタンスの値は、−1.2mA/Vであるとわかった。
双安定(タイプ1)トランジスタを、ポリアニリンのフィルムをパターン化することによって実現した。設計は、図1A、1Bに示した双安定トランジスタの概略的な図面に従った。
図1A、1Bに概略的に示すような双安定トランジスタを実現した。この双安定トランジスタは、3mmのトランジスタ・チャネル幅および4mmのゲル幅を有し、トランジスタ・チャネルは、12m2であった。代表的に、ゲート電極に印加されたゲート電圧Vgは、−15V〜15Vの間隔であった。ドレイン・ソース特性は、0V〜10Vのソース・ドレイン電圧を掃引することによって決定した。その結果得たI−V曲線が、図6(トルエン溶液として供給されたポリアニリン)および図7(m−クレゾール溶液として供給されたポリアニリン)に示してある。
Claims (25)
- −そのレドックス状態の変化を通じてその導電率を電気化学的に変える能力を有する有機材料の層(1,2,3);
−前記有機材料の層(1,2,3)から空間的に分離された導電性材料からなるゲート電極(4);および、
−前記ゲート電極(4)と前記有機材料の層(1,2,3)の少なくとも一部分と直接電気的に接触している、凝固電解液(5)の層;
を含む電気化学トランジスタ装置であって、
前記電解液(5)が前記有機材料の層の一部分(3)のみを覆っていることを特徴とし、
当該有機材料の層はソース接点(1)と、ドレイン接点(2)と、前記ソース接点とドレイン接点(1,2)の間に配置され、これらを電気的に接続しているトランジスタ・チャネルを有する電気化学的にアクティブな要素(3)とを含み、そして、
前記トランジスタ・チャネルにおける電流は前記ゲート電極(4)に印加された電圧によって制御することができ、
ここで、前記有機材料はポリマーであり、当該ポリマー材料は、3,4−ジアルコキシチオフェンのポリマーまたはコポリマーであり、当該2つのアルコキシル基は、同じであっても異なっていてもよいし、または、場合によっては置換されたオキシ−アルキレン−オキシ・ブリッジを一緒に表すものであってもよく、そして、当該有機材料は、さらにポリアニオン化合物を含んでいる、
電気化学トランジスタ装置。 - 前記ソース、ドレイン接点、ゲート電極および電気化学的にアクティブな要素が、1つの共通平面に配置されている、請求項1に記載の電気化学トランジスタ装置。
- 前記凝固電解液の連続したまたは中断した層が、電気化学的にアクティブな要素を覆っており、そして、前記ゲート電極を少なくとも部分的に覆っている、請求項2に記載の電気化学トランジスタ装置。
- 前記ソース、ドレイン接点およびゲート電極のうち少なくとも1つが、電気化学的にアクティブな要素と同じ材料から形成されている、請求項1〜3のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 前記ソース、ドレイン接点およびゲート電極のすべてが、電気化学的にアクティブな要素と同じ材料から形成されている、請求項4に記載の電気化学トランジスタ装置。
- ソース、ドレイン接点および電気化学的にアクティブな要素が、有機材料からなる前記材料の連続部片から形成されている、請求項4または5による電気化学トランジスタ装置。
- 前記トランジスタ・チャネルが、ゲート電圧除去の際にそのレドックス状態を保つ、請求項1〜6のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 前記トランジスタ・チャネルが、ゲート電圧除去の際に自動的にその初期レドックス状態に戻る、請求項1〜6のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 電気化学的にアクティブな要素が、さらに、トランジスタ・チャネルに隣接したレドックス・シンク・ボリュームを含み、装置が、電気化学的にアクティブな要素の両側に配置された少なくとも2つのゲート電極を含み、1つのゲート電極がトランジスタ・チャネルに近く、1つのゲート電極がレドックス・シンク・ボリュームに近くなっている、請求項8に記載の電気化学トランジスタ装置。
- 3,4−ジアルコキシチオフェンの前記ポリマーまたはコポリマーが、ポリ(3,4−メチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4−メチレンジオキシチオフェン)誘導体、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)誘導体、ポリ(3,4−プロピレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4−プロピレンジオキシチオフェン)誘導体、ポリ(3,4−ブチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4−ブチレンジオキシチオフェン)誘導体およびそれらとのコポリマーからなるグループから選択される、請求項1〜9のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 前記ポリアニオン化合物が、ポリ(スチレンスルホン酸)またはその塩である、請求項1〜10のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 前記凝固電解液が、バインダを含む、請求項1〜11のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 前記バインダが、ゼラチン、ゼラチン誘導体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリ(ビニルピロリドン)、多糖類、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、ポリプロピレン酸化物、ポリエチレン酸化物、ポリ(スチレンスルホン酸)、ポリ(ビニルアルコール)およびそれらの塩およびコポリマーからなるグループから選択されたゲル化剤である、請求項12による電気化学トランジスタ装置。
- 前記凝固電解液が、イオン塩を含む、請求項1〜13のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 支持式である、請求項1〜14のいずれか1つによる電気化学トランジスタ装置。
- 支持体が、ポリエチレン・テレフタル酸塩、ポリエチレン・ナフタレン・ジカルボキシレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、紙、コート紙、樹脂-コート紙、紙積層体、ボール紙、波形ボードおよびガラスからなるグループから選択される、請求項15による電気化学トランジスタ装置。
- −そのレドックス状態の変化を通じてその導電率を電気化学的に変える能力を有する有機材料の層(1,2,3)を支持体上に堆積させ;
−導電性の材料からなるゲート電極(4)を前記有機材料の層(1,2,3)から空間的に分離されるように支持体上に堆積させ;そして、
−凝固電解液の層(5)を前記ゲート電極(4)と前記有機材料の層(1,2,3)の一部分と直接電気的に接触するように堆積させる;
工程を含む、支持式電気化学トランジスタ装置を製造する方法であって、
−前記電解液(5)が、ソース接点(1)と、ドレイン接点(2)と、前記ソース接点とドレイン接点(1,2)の間に配置され、これらを電気的に接続しているトランジスタ・チャネルを有する電気化学的にアクティブな要素(3)とを含む前記有機材料の層の一部分(3)のみを覆うように、前記電解液の層を堆積させる工程により特徴づけられ、そして、
前記トランジスタ・チャネルにおける電流は前記ゲート電極(4)に印加された電圧によって制御することができるものであり、
ここで、前記有機材料はポリマーであり、当該ポリマー材料は、3,4−ジアルコキシチオフェンのポリマーまたはコポリマーであり、当該2つのアルコキシル基は、同じであっても異なっていてもよいし、または、場合によっては置換されたオキシ−アルキレン−オキシ・ブリッジを一緒に表すものであってもよく、そして、当該有機材料は、さらにポリアニオン化合物を含んでいる、
支持式電気化学トランジスタ装置の製造方法。 - 前記接点、電極、電気化学的にアクティブな要素および/または電解液が印刷技術によって堆積される、請求項17による方法。
- 前記接触、電極、電気化学的にアクティブな要素および電解液が、コーティング技術によって堆積される、請求項17による方法。
- 前記有機材料が、ポリマーを含み、現場重合を介しての支持体上への前記ポリマーの堆積を含む、請求項17〜19のいずれか1つによる方法。
- 減法的方法を用いて前記接点、電極および電気化学的にアクティブな要素のいずれか1つをパターン化する、請求項17〜20のいずれか1つによる方法。
- 前記パターン化が、化学エッチングを通じて実施される、請求項21による方法。
- 前記パターン化が、ガス・エッチングを通じて実施される、請求項21による方法。
- 前記パターン化が、スクラッチング、スコーリング、スクレーピング、ミリングを含む機械式手段によって実施される、請求項21による方法。
- 前記支持式電気化学トランジスタ装置が、請求項2〜16のいずれか1つに記載されたものである、請求項17〜24のいずれか1つによる方法。
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