具有改进的导电沟道的有机电化学晶体管

1.本发明涉及电化学装置领域。特别地，本发明涉及一种具有导电沟道的有机电化学晶体管装置(oect)，其包括具有特定形状的至少一个有机导电轨道，用于提高所述oect内的电荷载流子迁移率。


背景技术：

2.在过去的二十年中，有机半导体由于在各种电子技术中的潜在应用而引起了极大的关注。
3.在基于有机半导体的装置中，有机电化学晶体管(oect)因其在生物医学应用的芯片实验室平台中用作换能器而备受关注。oect使用电解质作为其装置结构的组成部分，后者包括栅极和设置在漏极与源极之间的聚合物导电沟道。
4.今天，需要为生物医学应用提供更复杂的电化学装置，包括增加数量的流体、电子和/或机械部件。
5.传统的oect制造技术涉及一系列薄膜沉积，这需要真空工艺和光刻，包括旋涂、uv曝光、显影和蚀刻。这些方法需要多层掩模，并且涉及大量浪费，从而增加了工艺成本。
6.l.basirico等人的“electrical characteristics of ink
‑
jet printed,all polymer electrochemical transistors”，organic electronics,vol.13,no.2；2dec.2011,pp244
‑
248公开了具有大而独特的导电沟道的传统oect，限制了装置的灵敏度。
7.mahiar hamedi等人的“electrochemical devices made from conducting nanowire networks self
‑
assembled from amyloid fibrils and alkoxysulfonate pedot”，nano letters,vol.8,no.6,5sept.2008,pp1736
‑
1740
‑
issn:1530
‑
6984
‑
doi:10.1021/nl0808233公开了导电改性淀粉样蛋白纳米纤丝，其导电性通过场效应晶体管设置来证明，其中纳米纤丝用作导电沟道，并且限于非常低的强度/信号。因此，需要提供更加通用且更加便宜的oect制造工艺。特别地，需要提供优化的有机电化学晶体管，其具有改进的电性能，例如更好的灵敏度。
8.出人意料地，申请人证明了优选通过喷墨打印获得的导电沟道的特定设计提供了一种有机电化学晶体管，其中由离子覆盖的从电解质到导电沟道的距离减小并允许实现更短的响应时间和迄今为止更快的沟道“开”状态与“关”状态之间的切换。


技术实现要素：

9.因此，本发明涉及一种有机电化学晶体管(oect)，包括：
10.‑
衬底，其上设置有源极和漏极；
11.‑
栅极电极；和
12.‑
位于衬底上的导电沟道，其一端与源极接触，另一端与漏极接触，所述导电沟道包括至少一个有机导电轨道或由至少一个有机导电轨道组成；
13.其中，所述至少一个有机导电轨道的特征在于：
14.·
接触表面(s
contact
)，其对应于至少一个有机导电轨道(51)与电解质溶液的接触表面；
15.·
投影表面(s
projected
)，其对应于至少一有机导电轨道与衬底的接触表面；所述投影表面(s
projected
)的范围为10
‑4cm2至0.05cm2或所述投影表面(s
projected
)为多个有机导电轨道的接触表面，所述多个有机导电轨道中的每一个具有1μm至200μm的宽度w；以及
16.·
接触表面s
contact
和投影面s
projected
之间的比值r大于1。
17.根据一个实施例，至少一个有机导电轨道的宽度w与高度h的比值r为1至200。
18.根据一个实施例，比值r为1到4。
19.根据一个实施例，导电沟道包括或由至少两个有机导电轨道，所述至少两个有机导电轨道优选为2至50个有机导电轨道、更优选地2至10个有机导电轨道。
20.根据一个实施例，导电沟道包括多个有机导电轨道或由多个有机导电轨道组成，所述多个有机导电轨道优选彼此平行。
21.根据一个实施例，有机导电轨道是笔直的。
22.根据一个实施例，每个有机导电轨道垂直于栅极电极的纵向轴线。
23.根据一个实施例，每个有机导电轨道平行于栅极电极的纵向轴线。
24.根据一个实施例，有机导电轨道为选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异硫茚、聚对苯乙炔、聚苯乙烯及其共聚物的聚合物；优选选自聚噻吩、聚苯乙烯及其共聚物；更优选的是聚(3,4
‑
亚乙撑二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)。
25.根据一个实施例，有机导电沟道至少部分地覆盖源极和漏极。
26.根据一个实施例，有机电化学晶体管还包括介电层。
27.根据一个实施例，有机电化学晶体管还包括至少一个金属轨道。
28.根据一个实施例，金属轨道由金属纳米颗粒或金属胶体制成，优选地选自银(ag)、金(au)和铂(pt)。根据一个实施例，金属轨道包括银(ag)、金(au)和/或铂(pt)。
29.本发明还涉及一种制造根据上述任一实施方式的有机电化学晶体管的方法，其中，通过增材制造技术，优选通过喷墨打印，在衬底上制造导电沟道。
30.因此，本发明涉及包括本发明的有机电化学晶体管的生物传感器。
31.定义
32.在本发明中，下列术语具有以下含义：
33.‑“
大约”，置于数字之前，表示数字的正负10％。
34.‑“
增材制造”或“3d打印”：指从数字文件中制造三维立体物体的任何过程。
35.‑“
生物传感器”：指将生物反应转化为电信号的分析装置。
36.‑“
接触表面”或“s
contact”：指oect沟道的一个有机导电轨道的表面，所述表面与电解质接触。
37.根据一个实施例，接触表面s
contact
是指用于形成沟道的导电轨道并已沉积在oect的衬底上的印刷图案所占据的体积的外表面；优选地，接触表面s
contact
是半圆柱体、平行六面体矩形、梯形或使用印刷油墨印刷的任何体积的外表面以形成沟道的导电轨道并且已经沉积在oect的衬底上。根据一个实施例，使用印刷油墨形成沟道的导电轨道的印刷体积包括异质体积和其末端比其中心具有更多物质的任何体积。根据一个实施例，接触面s
contact
是指用于形成沟道的导电轨道并已沉积在oect的基板上的印刷图案所占据的体积的外表
面；沟道51的所述导电轨道的特征在于导电轨道51的宽度w与高度h的比值r为1至200。
38.根据一个实施例，接触表面不包括沉积在用于制造导电沟道的oect衬底上的多孔导电材料的内表面。
39.‑“
漏极”或“漏极电极”：指oect的如下定义的三个电极之一。
40.‑“
栅极”或“栅极电极”：指oect的如下定义的三个电极之一。
41.‑“
有机电化学晶体管”或“有机电荷调制晶体管”或“oect”：指包括三个电极的装置：(1)源极或源极电极，(2)漏极或漏极电极，以及(3)栅极或栅极电极。在oect中，源极电极和漏极电极通过作为沟道的导电聚合物连接；沟道和栅极电极被作为栅极电介质的电解质分隔开。
42.‑“
聚合物”：指包括大分子链的材料，每条链由至少一个重复单元的多次重复产生。
43.‑“
聚噻吩”：指以噻吩为重复单元的大分子链，噻吩为硫杂环。更准确地说，术语“聚噻吩”是指由噻吩和/或其衍生物如取代噻吩(例如，烷基噻吩、卤代噻吩、聚(乙撑二氧噻吩)(pedot))聚合而成的大分子链。
44.‑“
投影表面”或“s
projected”：指oect沟道的一个有机导电轨道的表面，所述表面与oect的支撑物接触。
45.‑“
源极”或“源极电极”：指oect的如上定义的三个电极之一。
具体实施方式
46.电化学晶体管100
47.本发明涉及一种电化学装置100，优选地电化学晶体管，更优选地有机电化学晶体管(oect)。
48.根据一个实施例，电化学晶体管100包括三个电极：源极2、漏极3和栅极电极4。根据一个实施例，电化学晶体管100还包括衬底1，源极2和漏极3位于该衬底上，优选地，源极2位于衬底1的一端，而漏极3位于衬底1的另一端。根据一个实施例，电化学晶体管100还包括电解质6。根据一个实施例，衬底1大于电化学晶体管100。
49.根据一个实施例，电化学晶体管的跨导g
m
为0至0.1a/v；优选为0.01至0.08a/v、0.02至0.08a/v、0.03至0.08a/v、0.04至0.08a/v、0.05至0.08a/v、0.06至0.08a/v或0.07至0.08a/v。根据一个实施例，电化学晶体管的跨导g
m
约为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07或0.08a/v。根据一个实施例，电化学晶体管的跨导g
m
为0至0.08a/v、优选地0.01至0.07a/v、0.01至0.06a/v、0.01至0.07a/v、0.01至0.05a/v、0.01至0.04a/v、0.01至0.03a/v或0.01至0.02a/v。
50.根据一个实施例，电化学晶体管的最大漏源电压(v
ds
)为0至
–
10v、优选地0至
–
2v、更优选地0至
‑
1v。根据一个实施例，电化学晶体管在水性介质中的最大漏源电压(v
ds
)为0至
‑
10v、优选地0至
–
2v、更优选地0至
‑
1v。根据一个实施例，电化学晶体管的最大漏源电压(v
ds
)约为0、
‑
1、
‑
2、
‑
3、
‑
4、
‑
5、
‑
6、
‑
7、
‑
8、
‑
9或
‑
10v。
51.衬底1
52.根据一个实施例，衬底选自本领域技术人员公知的任何合适的材料。根据一个实施例，衬底包括或由聚合物制成，优选选自聚酯和聚酰亚胺，更优选聚对苯二甲酸乙二醇酯
(pet)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)(pen)和/或kapton
53.根据一个实施例，衬底的长度为0至20mm、优选1至10mm、更优选约5mm。根据一个实施例，衬底的长度为约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20mm。
54.根据一个实施例，衬底的宽度为0至5mm、优选地为0.1到3mm、更优选地为大约0.5mm。根据一个实施例，衬底的宽度约为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。根据一个实施例，衬底的宽度约为1mm、2mm、3mm、4mm或5mm。
55.根据一个实施例，衬底包括一个或更多个导电轨道11。根据一个实施例，衬底的导电轨道11由金属胶体或金属纳米颗粒制成。根据一个实施例，衬底的导电轨道11是金属的并且金属优选地选自过渡金属，更优选地选自金、银或铂。
56.导电沟道5
57.根据一个实施例，电化学晶体管100还包括导电沟道5。根据一个实施例，导电沟道5位于衬底1上。根据一个实施例，导电沟道5包括或由至少一个有机导电轨道51组成。
58.在本发明中，有机导电轨道是这样一种材料，其中通过来自有机分子，尤其是聚合物上的不同位点的电荷传输来支持导电性。材料的导电性源于所有有机分子的贡献，以或多或少有组织的方式，材料尺寸至少在微米范围内(即材料科学的宏观)。因此，单个有机分子或分子聚集体(即材料科学的微观)不被视为有机导电轨道。
59.根据一个实施例，导电沟道5位于衬底1上，其一端接触源极2，其另一端接触漏极3。
60.根据一个实施例，有机导电轨道51包括致密或无孔有机化合物或由致密或无孔有机化合物组成。根据一个实施例，有机导电轨道51包括多孔有机化合物或由多孔有机化合物组成。
61.根据一个实施例，有机导电轨道51包括聚合物、电掺杂或未电掺杂的优选导电或半导电聚合物或由其制成，更优选选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异硫茚、聚苯撑乙烯、聚苯乙烯及其共聚物；优选选自聚噻吩、聚苯乙烯及其共聚物；更优选的是聚(3,4
‑
亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)。根据一个实施例，有机导电轨道51被掺杂。根据一个实施例，有机导电轨道51是p掺杂的(正掺杂)。根据一个实施例，有机导电轨道51是n掺杂(负掺杂)。
62.根据一实施例，有机导电轨道51的形状为半圆柱体或类似、半球体、立方体或长方体。
63.根据一个实施例，有机导电轨道51的长度l为0至10cm、优选地为0.001至5cm、更优选地为0.01cm至0.1cm。根据一个实施例，有机导电轨道51的长度l约为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm或10cm。根据一个实施例，有机导电轨道51的长度l为约0至1mm，优选地0至0.1mm。在一个实施例中，有机导电轨51的长度l约为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm。在一个实施例中，有机导电轨51的长度l约为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。根据一个实施例，有机导电轨道51的长度l约为10μm。
64.根据一个实施例，有机导电轨道51的宽度w为0至200μm、优选地1μm至200μm、更优选地1μm至100μm、更优选地5μm至50μm、更优选地约10μm或20μm。根据一个实施例，有机导电轨道51具有约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、
25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100μm的宽度范围w。在所述宽度范围内，有机导电轨道优化了噪声与小型化之间的平衡。事实上，非常薄的有机导电轨道对电磁扰动很敏感并产生噪声。另一方面，oect中的庞大元件很难集成到小型化装置中。
65.根据一个实施例，有机导电轨道51的高度h为0至100μm、优选地为0至60μm、更优选地约为55μm。根据一个实施例，有机导电轨道51的高度h约为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100μm。根据一个实施例，有机导电轨道51的高度h为0至2μm、优选地为0至1μm。
66.根据一个实施例，有机导电轨道51的宽度w与高度h的比值r为1至200、优选地为1至190、1至180、1至170、1至160、从1到150，1到140，1到130，1到100，1到90，1到80，1到70，1到60，1到50，1到40、1至30、1至20或1至10。根据一个实施例，比值r高于1能够增加电解质6的离子通过有机导电轨道51的渗透。根据一个实施例，比值r高于1能够使电化学晶体管100消光，从而降低栅极电位。根据一个实施例，与常规电化学晶体管相比，大于1的比值r允许栅极电位降低：大于0mv到150mv，优选50mv到100mv，优选100mv到200mv。在本发明中，表述“常规电化学晶体管”是指不具有本发明技术特征的电化学晶体管，尤其是其接触表面s
contact
与投影面s
projected
的比值r不显著大于1的电化学晶体管。
67.根据一个实施例，高于1的比值r能够使本发明的电化学晶体管的响应时间减少2倍。
68.根据一个实施例，与传统的电化学晶体管相比，本发明的栅极电位降低：大于0％到100％，优选1％到100％、10％到100％、20％到100％、30％到100％、40％到100％、50％到100％、60％到100％、70％到100％、80％到100％或90％到100％。根据一个实施例，与传统电化学晶体管相比，本发明的栅极电位降低：大于0％到90％、优选大于0％到80％、大于0％到70％、大于0％到60％、大于0％到50％、大于0％到40％、大于0％到30％、大于0％到20％。根据一个实施例，与传统电化学晶体管相比，本发明的栅极电位降低约25％。
69.根据一个实施例，有机导电轨道51的特征在于接触表面(s
contact
)，其对应于有机导电轨道51与电解质溶液6的接触表面。
70.根据一实施例，有机导电轨道51的特征在于投影表面(s
projected
)，其对应于有机导电轨道51与衬底1的接触表面。根据一个实施例，接触表面s
projected
为0cm2至0.5cm2、优选10
‑4cm2至0.05cm2、更优选10
‑4cm2至0.02cm2。在所述投影表面的范围内，改善了信号与小型化之间的平衡。事实上，信号强度随着投影表面的增加而增加。另一方面，oect中的较大元件很难集成到小型化装置中。
71.根据一个实施例，有机导电轨道51的特征在于：接触表面s
contact
与投影表面s
projected
之间的比值r大于1。根据一个实施例，比值r为1至4、优选为约1、2、3或4。
72.根据一个实施例，有机导电轨道51的数量取决于电化学晶体管100的分辨率和/或
尺寸。根据一个实施例，导电沟道5包括至少两个有机导电轨道51或由两个有机导电轨道组成，所述两个有机导电轨道优选为2至50个有机导电轨道、更优选2至10个有机导电轨道。根据一个实施例，导电沟道5包括或由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、45、46、47、48、49或50个有机导电轨道组成。
73.根据一个实施例，导电沟道5包括或由多个有机导电轨道51组成。根据一个实施例，所述有机导电轨道51中的每一个具有大于0μm至200μm、优选地1μm至200μm、更优选地1μm至100μm、更优选地5μm至50μm、更优选地约10μm或20μm的宽度w。根据一个实施例，所述多个有机导电轨道51彼此平行。根据一个实施例，导电沟道5包括或由多个平行的笔直有机导电轨道51组成。根据一个实施例，导电沟道5包括或由多个平行的弯曲有机导电轨道51组成。根据一个实施例，导电沟道5是笔直的。根据一个实施例，导电沟道5包括至少一个弯曲段。根据一实施例，导电沟道5包括多个弯曲段。
74.根据一个实施例，导电沟道5包括或由多个叉指型有机导电轨道51组成。有利地，叉指型有机导电轨道51允许限制导电沟道5的电阻和/或增加导电沟道5的最大电流强度。有利地，叉指型有机导电轨道51允许增加导电沟道5的尺寸，同时保持电化学晶体管的几何表面低于没有叉指型有机导电轨道51的导电沟道5。
75.根据一个实施例，每个有机导电轨道51垂直于栅极电极4的纵向轴线。根据一个实施例，每个有机导电轨道51平行于栅极电极4的纵向轴线。
76.根据一个实施例，导电沟道5通过增材制造技术、2d打印技术和/或3d打印技术制成。根据一个实施例，至少一个有机导电轨道51通过增材制造技术、2d打印技术和/或3d打印技术制成。
77.根据一个实施例，导电沟道5至少部分地覆盖源极2和漏极3。有利地，用导电沟道5覆盖源极2和漏极3允许接触金属轨道和导电聚合物。根据一个实施例，导电沟道5完全覆盖源极2和漏极3。根据一实施例，导电沟道5覆盖源极2的大于0％至100％、优选地覆盖源极2的5％至100％、10％至100％、15％至100％、20％到100％、25％至100％、30％至100％、35％至100％、40％至100％、45％至100％、50％至100％、55％至100％、60％至100％、65％至100％、70％至100％、75％至100％、80％至100％、85％至100％、90％至100％或源极2的95％至100％的源极。根据一个实施例，导电沟道5覆盖源极2的大于0％至90％，优选地覆盖大于0％至95％、大于0％至90％、大于0％至85％、大于0％至80％、大于0％至75％、大于0％至70％、大于0％至65％、大于0％至60％、大于0％至55％、大于0％至50％、大于0％至45％、大于0％至40％、大于0％至35％、大于0％至30％、大于0％至25％、大于0％至20％、大于0％至15％、大于0％至10％、或源极2的大于0％至5％。
78.根据一实施例，导电沟道5覆盖漏极3的大于0％至100％，优选地覆盖漏极3的5％至100％、10％至100％、15％至100％、20％至100％、25％至100％、30％至100％、35％至100％、40％至100％、45％至100％、50％至100％、55％至100％、60％至100％、65％至100％、70％至100％、75％至100％、80％至100％、85％至100％、90％至100％、或漏极3的95％至100％。根据一个实施例，导电沟道5覆盖漏极3的大于0％至90％，优选地覆盖漏极3的大于0％至95％、大于0％至90％、大于0％至85％、大于0％至80％、大于0％至75％、大于0％至70％、大于0％至65％、大于0％至60％、大于0％至55％、大于0％至50％、大于0％到
45％、大于0％至40％、大于0％至35％、大于0％至30％、大于0％至25％、大于0％至20％、大于0％至15％、大于0％至10％、或漏极3的大于0％至5％。
79.源极2
80.根据一个实施例，源极2通过增材制造技术或通过2d或3d打印，优选通过喷墨打印来制造。根据一个实施例，源极2可以是技术人员熟知的任何源极。
81.漏极3
82.根据一个实施例，漏极3通过增材制造技术或通过2d或3d打印制造，优选通过喷墨打印制造。根据一个实施例，漏极3可以是本领域技术人员公知的任何漏极。
83.根据一个实施例，电化学晶体管的最大漏极电压(v
ds
)取决于电解质；所述电解质是固体电解质(例如水凝胶)或电解液。根据一个实施例，电化学晶体管的最大漏极电压(v
ds
)约为
‑
2v。根据一个实施例，水溶液中电化学晶体管的最大漏极电压(v
ds
)约为
‑
2v。
84.栅极电极4
85.根据一个实施例，栅极电极4通过增材制造技术或通过2d/3d打印、优选通过喷墨打印来制造。
86.根据一个实施例，栅极电极4包括或由导电材料制成、优选地选自导电或半导体聚合物、金属、碳和诸如碳纳米管、石墨或石墨烯之类的导电同素异形碳。
87.根据一个实施例，栅极电极4包括或由选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异硫茚、聚对苯乙炔、聚苯乙烯及其共聚物的导电或半导电聚合物制成；优选选自聚噻吩、聚苯乙烯及其共聚物；更优选的是聚(3,4
‑
亚乙撑二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)。
88.根据一个实施例，栅极电极4包括或由多个导电轨道41组成。
89.根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41平行于导电沟道5的有机导电轨道51。根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41垂直于导电沟道5的有机导电轨道51。
90.根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41为半圆柱体或者类似、半球、立方体或长方体的形式。
91.根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41的长度l'为大于0cm至10cm、优选从0.001cm至5cm、更优选地0.01cm至0.1cm。根据一个实施例，导电轨道41的长度l’约为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm或10cm。根据一个实施例，导电轨道41的长度l'为大于0cm至1mm、优选地0至0.1mm。根据一个实施例，导电轨道41的长度l'约为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm。根据一个实施例，导电轨道41的长度l'约为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。根据一个实施例，导电轨道41具有约为10μm的长度l’。
92.根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41的宽度w'为大于0μm至200μm、优选为1μm至100μm、更优选5μm至50μm、更优选约10μm或20μm。根据一个实施例，导电轨道41具有大约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17 18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100μm的宽度w’。
93.根据一个实施例，栅极电极的导电轨道41的高度h'为0至200μm、优选为大于0至
100μm、更优选为约55μm。根据一个实施例，导电轨道41的高度h'约为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100μm的高度h'。
94.根据一个实施例，电化学晶体管的最大栅极电压(v
gs
)取决于电解质；所述电解质是固体电解质(例如水凝胶)或电解液。根据一个实施例，电化学晶体管的最大栅极电压(v
gs
)约为+5v、优选约为+2v、+3v、+4v或+5v、更优选约为+2v。根据一个实施例，电化学晶体管在水溶液中的最大栅极电压(vgs)约为+5v、优选约为+2v、+3v、+4v或+5v，更优选约为+2v。
95.电解质6
96.根据一个实施例，电解液是缓冲液、优选是磷酸盐缓冲盐水(pbs)。根据一个实施例，缓冲液可以包括高氯酸钠(naclo4)或四丁基氯化铵(tbacl)。
97.根据一个实施例，电解质包括液体、优选诸如水、乙腈或离子液体之类的极性液体。
98.介电层7
99.根据一个实施例，电化学晶体管还包括介电层7。
100.根据一个实施例，介电层7包括清漆或由清漆组成。根据一个实施例，本领域技术人员公知的任何介电层均可用于本发明。
101.工艺
102.本发明还涉及一种提供本发明的如上定义的电化学晶体管的工艺。根据一个实施例，该工艺包括至少一个2d或3d打印步骤，优选喷墨打印。
103.根据一个实施例，用于提供本发明的电化学晶体管的工艺包括在衬底上、在源极与漏极之间的位于所述衬底上的导电沟道上进行2d或3d打印。
104.根据一个实施例，本发明的工艺还包括对其上打印有一个或更多个有机导电轨道的衬底进行热处理，所述轨道是导电沟道5的有机导电轨道、栅极4的导电轨道或用作电化学晶体管100中的电触点的任何导电轨道11。
105.根据一个实施例，2d/3d打印、尤其是喷墨打印，是在超过0℃至300℃范围内的墨盒温度下实施的。根据一个实施例，2d/3d打印、尤其是喷墨打印，在大约10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃的墨盒温度下实施。
106.根据一个实施例，2d/3d打印、尤其是喷墨打印，是在超过0℃至200℃范围内的平台温度下实施的。根据一个实施例，2d/3d打印、尤其是喷墨打印，在大约10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃的平台温度下实施。
107.根据一个实施例，2d/3d打印、尤其是喷墨打印，是在大气压下实施的。
108.根据一个实施例，通过使用导电或半导电聚合物油墨在衬底上实现导电沟道的3d打印，所述导电或半导电聚合物油墨优选选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异硫茚、聚对苯乙
炔、聚苯乙烯及其共聚物；优选地选自聚噻吩、聚苯乙烯及其共聚物；更优选的是聚(3,4
‑
亚乙撑二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)。根据一个实施例，聚合物油墨可以被掺杂或不被掺杂。根据一个实施例，聚合物油墨通过正掺杂(即在聚合物中提供电空穴)来掺杂。根据一个实施例，聚合物油墨通过负掺杂(即在聚合物中提供过量的电子)来掺杂。
109.根据一个实施例，本发明的方法包括或由以下组成：
110.‑
在衬底上喷墨打印导电沟道；
111.‑
喷墨打印栅极；以及
112.‑
热处理所述打印的导电沟道和栅极。
113.根据一个实施例，本发明的方法还包括增加介电层。
114.用途
115.本发明还涉及本发明的电化学晶体管的用途，优选作为电子装置(例如传感器)中的部件。
116.本发明还涉及包括本发明的电化学晶体管的生物传感器。
附图说明
117.当结合附图阅读时，将会更好地理解详细说明。为了说明的目的，在优选实施例中示出了电化学晶体管。然而，应当理解，本技术不限于所示的精确布置、结构、特征、实施例和方面。附图未按比例绘制并且不旨在将权利要求的范围限制于所描绘的实施例。因此，应当理解，在所附权利要求中提到的特征后跟有附图标记的地方，包括这些附图标记仅仅是为了增强权利要求的可理解性而不以任何方式限制权利要求的范围。
118.图1是本发明的电化学晶体管100的有机导电轨道51的透视侧视图。有机导电轨道51的特征在于其长度l、其宽度w、其高度h、接触表面s
contact
和投影表面s
projected
。根据本发明，有机导电轨道51是以完全半圆柱体的形式通过喷墨打印导电聚合物油墨获得的，使得接触表面s
contact
高于投影面s
projected
。根据一个实施例，有机导电轨道51是通过喷墨打印宽度w大于其高度h的完全半圆柱形式的导电聚合物油墨而获得的。
119.图2是本发明的电化学晶体管100的示意图(顶视图)，包括金属轨道11和导电沟道5，该导电沟道包括布置在衬底1上的叉指型的多个笔直且平行的有机导电轨道51。在衬底1上方布置有栅极电极4，该栅极电极被配置成使其纵向轴线平行于有机导电轨道51。
120.图3至8示出了本发明的电化学晶体管100的替代构造的示意图。在图3中，有机导电轨道51垂直于栅极4的纵轴向轴线；所述有机导电轨道51和所述栅极4位于oect的同一侧，而在图4中它们位于相反侧。
121.在图5中，栅极4包括与导电沟道5的多个笔直且平行的有机导电轨道51平行的多个笔直且平行的导电轨道41。图6示出了与图5类似的方案，不同之处在于图6中的介电层7包括在所述栅极4的导电轨道41的每一端处与栅极4的双重接触。
122.在图7和图8中，栅极4以多条笔直且平行的导电轨道41的形式位于衬底1的上方，在所述衬底上布置有导电沟道5的有机导电轨道51，所述有机导电轨道51以多条笔直且平行的轨道的形式存在，并垂直于栅极4的导电轨道41。在与图7相反的图8中，导电沟道5的有机导电轨道51是叉指型的。
123.图9是显示响应时间作为导电沟道pedot
‑
pss的层数的函数的图像，以根据沟道是
方形(实线)还是如本发明中的多线形(虚线)来实现90％沟道消光。
124.附图标记列表
125.100
–
有机电化学晶体管；
126.100a
–
电化学晶体管的正面；
127.100b
–
电化学晶体管的背面；
[0128]1–
衬底；
[0129]
11
–
金属轨道；
[0130]2–
源极；
[0131]3–
漏极；
[0132]4–
栅极电极；
[0133]
41
–
栅极电极的导电轨道；
[0134]5–
导电沟道；
[0135]
51
–
有机导电轨道；
[0136]6–
电解质；
[0137]7–
介电层；
[0138]
l
–
导电沟道的导电轨道长度；
[0139]
w
–
导电沟道的导电轨道宽度；
[0140]
h
–
导电沟道的导电轨道高度；
[0141]
s
–
导电沟道的导电轨道的轨道部分；
[0142]
l
’–
栅极电极的导电轨道的长度；
[0143]
w
’–
栅极电极的导电轨道的宽度；
[0144]
h'
–
栅极电极的导电轨道的高度。