Electrochemical Gating of Oxide Nanowire Transistors at Low Operating Voltage

Single-crystal, one-dimensional (1-D), metal-oxide nanostructures are well known for their excellent electronic transport properties. Moreover, metal oxide-nanowire field-effect transistors (FETs) offer both high optical transparency and large mechanical conformability which are essential for flexible and transparent display applications. While the “on-currents” achieved with nanowire channel transistors are already sufficient to drive active-matrix organic light-emitting diode (AMOLED) displays; it is shown here in addition that application of electrochemical-gating (EG) to nanowire electronics reduces the operation voltage to ≤2 V. This opens up new possibilities for the realization of flexible, portable, transparent displays that can be powered by thin film batteries. Electrolyte gated field-effect transistors are fabricated with single crystalline metal oxide nanowires such as ZnO and SnO2 as the channel and a composite solid polymer electrolyte (CSPE) is used as dielectric gating material. Excellent transistor performance and a very low-voltage operation (≤ 2 V) have been demonstrated. Practical use of such electrolyte-gated field-effect transistor (EG FET) devices is validated by their long-term stability in air. Moreover, due to the good conductivity (≈10−2 S/cm) of the CSPE, sufficiently high switching speed of such EG FETs is attainable; a cut-off frequency in excess of 100 kHz is measured for in-plane FETs. Furthermore, thermal stability of the FETs is systematically examined up to 180 °C. Unchanged transistor characteristics are obtained up to 70 °C, short exposure at 110 °C is found acceptable, making such devices compatible with organic photovoltaics or various biomedical applications. Additionally, the solid polymer electrolyte developed in this study has great potential for future device fabrication using all-solution processed and high throughput techniques.

Einkristalline, eindimensionale (1-D), Metall-Oxid Nanostrukturen sind bekannt für ihre hervorragenden elektronischen Transporteigenschaften. Des Weiteren bieten Metall-Oxid Nanodraht Feldeffekt-Transistoren zusätzlich eine hohe optische Transparenz und eine gute mechanische Verformbarkeit. Diese Eigenschaften sind wesentlich für Anwendungen in flexiblen und transparenten Displays. Während der Strom im „on-state“ in Nanodraht-Transistoren bereits für die Anwendung in AMOLED Displays ausreicht, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass durch den Einsatz des „electrolyte gating“ die Betriebsspannung auf ≤ 2V reduziert werden kann. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für flexible, tragbare und transparente Displays, die von Dünnschicht-Batterien betrieben werden können. „Electrolyte gated“ Feldeffekt-Transistoren (EG FET) werden aus einkristallinen Nanodrähten aus z.B. ZnO oder SnO2 als Kanal und einem Festkörper Polymer Kompositelektrolyt (CSPE) als Gate-Isolator hergestellt. Es wurden sowohl exzellente Transistoreigenschaften als auch eine sehr kleine Arbeitsspannung von ≤ 2V gezeigt. In der Praxis überzeugen solche EG FETs besonders wegen ihrer Langlebigkeit in Umgebungsbedingungen. Weiterhin ist wegen der guten Leitfähigkeit der CSPE (≈10-2 S/cm) eine ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeit solcher EG FETs erreichbar; es wurde eine maximale Frequenz von mehr als 100 kHz für „in plane“ FETs gemessen. Ferner wurden die FETs bei Temperaturen bis 180 °C systematisch untersucht; wobei bis zu einer Temperatur von 70 °C keine Änderungen in den Transistoreigenschaften festgestellt wurden. Auch eine kurzzeitige Temperaturerhöhung auf 110 °C beeinflusst die EG FETs kaum. Somit sind solchen Bauteile kompatibel mit organischer Photovoltaik und biomedizinischen Anwendungen. Zusätzlich bietet der in dieser Arbeit entwickelte CSPE in der Zukunft viele Möglichkeiten für vollständig gedruckte Bauteile mit hohem Produktionsdurchsatz