Operating Organic Electronics via Aqueous Electric Double Layers

The field of organic electronics emerged in the 1970s with the discovery of conducting polymers. With the introduction of plastics as conductors and semiconductors came many new possibilities both in production and function of electronic devices. Polymers can often be processed from solution and their softness provides both the possibility of working on flexible substrates, and various advantages in interfacing with other soft materials, e.g. biological samples and specimens. Conducting polymers readily partake in chemical and electrochemical reactions, providing an opportunity to develop new electrochemically driven devices, but also posing new problems for device engineers. The work of this thesis has focused on organic electronic devices in which aqueous electrolytes are an active component, but still operating in conditions where it is desirable to avoid electrochemical reactions. Interfacing with aqueous electrolytes occurs in a wide variety of settings, but we have specifically had biological environments in mind as they necessarily involve the presence of water. The use of liquid electrolytes also provides the opportunity to deliver and change the device electrolyte continuously, e.g. through microfluidic systems, which could then be used as a dynamic feature and/or be used to introduce and change analytes for sensors. Of particular interest is the electric double layer at the interface between the electrolyte and other materials in the device, specifically its sensitivity to charge reorganization and high capacitance. The thesis first focuses on organic field effect transistors gated through aqueous electrolytes. These devices are proposed as biosensors with the transistor architecture providing a direct transduction and amplification so that it can be electrically read out. It is discussed both how to distinguish between the various operating mechanisms in electrolyte thin film transistors and how to choose a strategy to achieve the desired mechanism. Two different strategies to suppress ion penetration into, and thus electrochemical doping of, the organic semiconductor are presented. The second focus of the thesis is on polarization of ferroelectric polymer films through electrolytes. A model for the interaction between the remnant ferroelectric charge in the polymer film and the mobile ionic charges of the electrolyte is presented, and verified experimentally. The reorientation of the ferroelectric polarization via the electric double layer is also demonstrated in a regenerative medicine application; the ferroelectric polarization is shown to affect cell binding, and is used as a gentle method to non-destructively detach cells from a culture substrate. Populärvetenskaplig Sammanfattning Upptäckten av ledande polymerer på 1970-talet blev startskottet för forskningsområdet ledande plaster och senare också för organisk elektronik. Möjligheten att använda polymera material, det vill säga plaster, som elektrisk ledare och halvledare i elektroniska komponenter innebär en rad olika fördelar med avseende på processteknik för tillverkning av komponenter och kretsar, men öppnar också upp för helt nya elektroniska komponenter och användningsområden. De organiska elektronikmaterialen går ofta att enkelt lösa upp i lösningsmedel och dessa lösningar kan användas för tillverkning som utnyttjar till exempel traditionella tryckeller bestrykningsmetoder. De är relativt mjuka och elastiska vilket innebär att materialen kan användas på flexibla substrat och ofta passar bättre, inte minst rent mekaniskt, ihop med andra mjuka system, exempelvis biologiska system eller som elektronik på papper. Ofta är de ledande och halvledande polymererna elektrokemiskt aktiva vilket också möjliggör utveckling av helt nya komponenter och applikationer. Arbetet som ligger till grund för denna avhandling har fokuserats emot att nyttja vattenbaserade elektrolyter i kombination med elektroniska komponenter baserade på polymerer för att realisera nya sensorer och aktuatorer för tillämpningar inom medicin och bioteknologi. Syftet är att utnyttja elektroniska funktioner i dessa komponenter för att detektera, karakterisera och reglera processer i biologiska system, samtidigt som elektrokemiska reaktioner undertrycks. I biologiska system och miljöer är i normalfallet vatten närvarande vilket både innebär en möjlighet men samtidigt en utmaning. Vid gränsskiktet mellan elektrolyter och andra elektroaktiva material bildas ett elektriskt dubbellager av laddningar vilket i sin tur innebär att vi kan erhålla mycket höga kapacitanser. Egenskaperna utmed och i det elektriska dubbellagret är mycket känsligt för små förändringar av orientering och struktur av de inkluderade laddningarna. Denna egenskap kan utnyttjas som en känslig och eventuellt selektiv reaktionsmekanism i olika sensorer och aktuatorer. Då elektrolyten kan representeras av olika biologiska system och vätskor öppnas en rad olika möjligheter med inom biologi och medicin. Organiska fälteffekttransistorer vilka inkluderar elektriska dubbellager som isolator för styret kan användas som sensorer där transistorstrukturen både kan överföra och förstärka en sensorsignal till en elektriskt mätbar signal. För en tydlig signal i sådana fälteffektkomponenter krävs ofta att elektrokemiska (sido)reaktioner undviks eller undertrycks. I denna avhandling diskuteras och realiseras två olika strategier för att undertrycka penetration av joner från elektrolyten in i de polymera elektronikmaterialen för att minimera att sensorsignalen går förlorad i elektrokemiska signaler. Den laddning som kan lagras i det elektriska dubbellagret används också till att polarisera tunna ferroelektriska polymerfilmer. Samspelet och kopplingen mellan laddningen i det elektriska dubbellagret och de ferroelektriska dipolerna i polymeren modelleras och simuleras för att förstå och möjliggöra nya användningsområden inom bioteknologi. Beroende på orienteringen av de ferroelektriska dipolerna så kan affinitet och frisättning av levande celler till den ferroelektriska polymerytan styras helt elektroniskt. Detta öppnar nya möjligheter med så kallade elektroniska odlingsskålar inom regenerativ medicin samt inom biologi.