HIGH-PERFORMANCE FULLY-PRINTED ORGANIC ELECTROCHEMICAL TRANSISTORS

The PhD research activity focused on the study, characterization, design, integration and miniaturization of organic electrochemical transistors (OECTs). With particular emphasis on the experimental fabrication phase using the additive manufacturing (AM) technique of dispensing. Organic electrochemical transistors are a type of transistor that use organic materials to facilitate interactions between ionic and electronic charges, making them uniquely suited for bioelectronics and sensing applications. Unlike conventional transistors that rely purely on electronic conductivity, OECTs can conduct both ions and electrons. This is largely due to the materials used in their channels, often soft, π-conjugated polymers or small molecules that allow ions from a surrounding electrolyte solution to permeate the entire channel. This dual ionic-electronic conduction leads to high transconductance, enabling efficient signal amplification even at low voltages. The distinctive operation of OECTs in liquid environments and their ability to interact seamlessly with biological tissues make them highly valuable in applications like medical monitoring, neural interfaces, and wearable electronics. Their ability to detect small changes in ion concentrations has also made them popular for chemical sensing and diagnostics, such as measuring glucose or electrolyte levels in bodily fluids. Chapter 1 introduces OECT operation principles, materials, architectures, and the potential of AM techniques for the fabrication of fully-printed OECTs. Chapter 2 details the fabrication of fully-printed bioelectronic circuits using a dispensing technique on biodegradable and compostable diacetate cellulose substrates. The fabricated ion sensors achieved ultra-high sensitivity of up to 506 mV/dec over a broad range of ion concentrations, while OECT-based unipolar inverter circuits exhibited a supply voltage-normalized gain of 136.6 V-1. This approach highlights a pathway toward low-cost, high-performance, environmentally sustainable bioelectronic devices. In Chapter 3, the potential for OECT miniaturization and high-frequency operation is explored. Ultra-miniaturized, fully printed OECTs demonstrated high transconductance and low-power operation. These devices were produced by utilizing Ultra Precise Dispensing (UPD) technology, OECTs reached a 50 MHz transition frequency, with the smallest printed polymer dot size of 1 femtoliter. These devices show promise for advanced bioelectronics, such as wearable sensors for electrooculography and implantable mechanotransducers mimicking cochlear function. Chapter 4 presents a novel top-gate interdigitated vertical OECT (TG-VOECT) architecture, enabling seamless monolithic integration using UPD technology. Comparative analyses with planar, interdigitated planar, and vertical OECTs were performed, examining transconductance, on-off current ratios, and frequency performance using side and top-gate designs. TG-VOECTs devices tested in varying sodium ion concentrations demonstrated ion concentration-frequency dependence and achieved a sensitivity of 2987 mV/dec through a multiscale current-driven approach.

La ricerca condotta durante il dottorato si è concentrata sulla progettazione, fabbricazione e miniaturizzazione di transistori organici elettrochimici (OECT), con particolare enfasi sull’uso di tecniche di manifattura additiva (AM), in particolare la tecnologia di dispensing di materiali, per creare questi dispositivi. Il lavoro, supervisionato dal Professor Fabrizio Torricelli e dal Professor Zsolt M. Kovács Vajna presso l’Università di Brescia, ha esplorato nuovi approcci per migliorare le prestazioni e l'integrazione degli OECT. Gli OECT si differenziano dai transistor convenzionali perché conducono sia ioni che elettroni, una caratteristica unica che li rende particolarmente adatti ad applicazioni bioelettroniche e di sensing. Questa doppia conduzione ionico-elettronica consente agli OECT di amplificare efficacemente i segnali a basse tensioni, un vantaggio cruciale per applicazioni come il monitoraggio medico, le interfacce neurali e i sensori chimici. L’attività di ricerca descritta nel Capitolo 1 ha esaminato lo stato dell’arte e descritto i fondamenti del funzionamento degli OECT, incluso l’utilizzazo di materiali organici come i polimeri π-coniugati, che permettono un’interazione efficiente tra ioni ed elettroni. Il capitolo ha inoltre evidenziato come la manifattura additiva possa essere impiegata per produrre dispositivi OECT completamente stampati e flessibili, rendendoli più accessibili e versatili per una vasta gamma di applicazioni. Il Capitolo 2 si è concentrato sulla fabbricazione di circuiti bioelettronici completamente stampati utilizzando la tecnica di dispensing su substrati biodegradabili di diacetato di cellulosa. Questo approccio ha dimostrato che è possibile creare sensori ionici altamente sensibili e circuiti funzionali basati su OECT, aprendo la strada a dispositivi bioelettronici economici e sostenibili dal punto di vista ambientale. Questi risultati suggeriscono che gli OECT potrebbero essere integrati in dispositivi elettronici flessibili e usa e getta per diagnosi mediche e monitoraggio ambientale, offrendo una soluzione sostenibile che riduce al minimo gli sprechi di materiale. Nel Capitolo 3, la ricerca ha esplorato la miniaturizzazione e l’operatività ad alta frequenza degli OECT. Utilizzando la tecnologia di Ultra Precise Dispensing (UPD), è stato possibile miniaturizzare significativamente gli OECT, producendo dispositivi con elevata transconduttanza, basso consumo energetico ed efficiente amplificazione del segnale ad alte frequenze. Questi OECT ultra-miniaturizzati hanno un grande potenziale per la bioelettronica avanzata, come ad esempio i sensori indossabili per elettrooculografia e i meccano-trasduttori impiantabili che imitano la funzione delle cellule ciliate cocleari, con il potenziale di migliorare le protesi uditive. Nel Capitolo 4, è stata sviluppata e introdotta una nuova architettura di OECT: il transistore elettrochimico organico verticale interdigitato a gate superiore (TG-VOECT), reso possibile dalla precisione della tecnologia UPD. Questa architettura ha mostrato significativi miglioramenti delle prestazioni rispetto agli OECT tradizionali planari, interdigitati planari e verticali, offrendo una maggiore transconduttanza e migliori rapporti on/off di corrente. Il TG-VOECT ha dimostrato una forte dipendenza dall'architettura, dalla concentrazione ionica e dalla frequenza operativa, risultando altamente adatto per applicazioni di biosensing in tempo reale e circuiti integrati ad alta densità. Questa innovazione apre possibilità per lo sviluppo di sistemi bioelettronici più compatti ed efficienti.