Modélisation physique des biocapteurs au base des transistors électrochimiques

Physical modelling of bio sensors based on Organic Electrochemical Transistors

• Auteur / Autrice : Anna Shirinskaya
• Direction : Abderrahim Yassar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Simonetti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Yassar, Igor Zozoulenko, Yvan Bonnassieux, Giles Horowitz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Piro, Sabine Ludwigs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux organiques

Transistors

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Physics

Transistors

Organic

Résumé

Les Transistors Organiques Electrochimiques (OECT) sont largement utilisés comme les capteurs dans de nombreux appareils bioélectroniques. Bien qu’ils aient été largement étudiés au cours de ces dernières années, il n'y a pas encore de compréhension fondamentale et univoque principe de fonctionnement d'un OECT, notamment en ce qui concerne le mécanisme du dé-dopage.Cette thèse est consacrée à la modélisation des Transistors Organiques Electrochimiques. Tout d'abord, un modèle d'état stationnaire numérique a été établi. Ce modèle utilisant les équations de Poisson-Boltzmann, Nernst-Planck et Nernst, nous permet de décrire finement le processus du dé-dopage dans la couche de PEDOT: PSS ainsi que, la distribution des ions et trous dans le capteur. Il a été prouvé expérimentalement que le modèle numérique dit de « neutralité global » est valable pour expliciter le fonctionnement global du capteur, mais aussi, l'origine et le résultat du processus du dé-dopage. La transition d’un modèle totalement numérique à un modèle analytique a été réalisée en ajustant la fonction analytique logistique paramétrique de Boltzmann au profil de conductivité calculé numériquement.Nous avons pu ainsi extraire, la fonction analytique de la dépendance du courant de drain en Fonction du potentiel local. Cette fonction ajuster sur un profil de courant de drain mesuré expérimentalement en fonction du potentiel appliqué permet d'obtenir la conductivité maximale d'une couche de PEDOT: PSS entièrement dopée. La conductivité maximale était dépendante non seulement du matériau, mais aussi de la taille du canal. Il est possible d'extraire, en utilisant la valeur de conductivité maximale et un modèle de semi-conducteur conventionnel, les autres paramètres pour la description complète d’OECT: densité intrinsèque de charge, densité de trous initiaux, concentration initiale de PSS- et capacité volumétrique de la couche polymère conductrice. Le fait d'avoir un outil permettant d'extraire et de caractériser facilement tous les OECT permet non seulement d'augmenter le niveau de description de compréhension du transistor, mais surtout de mieux maitriser la corrélation entre paramètres internes et externes.Finalement, l’approche que nous avons réalisée, couplant modélisation analytique et numérique, nous a permis de proposer une description complète du fonctionnement physique d’un OECT. En outre nous avons pu valider expérimentalement la pertinence de nos modèles en les comparants avec les caractéristiques obtenues via des mesures réelles.

Organic Electrochemical Transistors are widely used as transducers for sensors in bioelectronics devices. Although these devices have been extensively studied in the last years, there is a lack of fundamental understanding of their working mechanism, especially concerning the de-doping mechanism.This thesis is dedicated to Organic Electrochemical Transistors modelling. First of all, a numerical steady state model was established. This model allows implementing the Poisson-Boltzmann, Nernst-Planck and Nernst equations to describe the de-doping process in the conductive PEDOT:PSS layer, and ions and holes distribution in the device. Two numerical models were proposed. In the first, Local Neutrality model, the assumption of electrolyte ions trapping in PEDOT:PSS layer was taken into consideration, thus the local neutrality was preserved. In the second model the ions were allowed to move freely under applied electric field inside conductive polymer layer, thus only global electroneutrality was kept. It was experimentally proven that the Global Neutrality numerical model is valid to explain the global physics of the device, the origin and the result of the de-doping process. The transition from totally numerical model to analytical model was performed by fitting the parametric analytical Boltzmann logistic function to numerically calculated conductivity profiles. As a result, an analytical equation for the Drain current dependence on applied voltage was derived. By fitting this equation to experimentally measured Drain current- applied voltage profiles, we could obtain the maximum conductivity of a fully doped PEDOT:PSS layer. The maximum conductivity is shown to be dependent not only on the material, but also on device channel size. Using the maximum conductivity value together with the Conventional Semiconductor model it is possible to extract the other parameters for the full description of the OECT: intrinsic charge carrier density, initial holes density, initial PSS- concentration and conductive polymer layer volumetric capacitance. Having a tool to make easy parameters extraction and characterization of any OECT, permits not only to increase the level of device description, but most importantly to highlight the correlation between external and internal device parameters.Finally it is shown how to make the whole description of the real OECT device, all the models were validated by fitting the modeled and experimentally measured data profiles.As a result, not only the purely theoretical model was presented in this thesis to describe the device physics, but also the prominent step was made on simple real device characterization.