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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37133| Título: | Transistores de porta eletrolítica utilizando gelatina como matriz sustentável para ancoramentodo eletrólito |
| Título(s) alternativo(s): | Electrolyte-gated transistors using gelatin as a sustainable matrix to anchor the electrolyte |
| Autor(es): | Silva, Denny Paula |
| Orientador(es): | Seidel, Keli Fabiana |
| Palavras-chave: | Transistores Soluções eletrolíticas Semicondutores Semicondutores - Dopagem Análise eletroquímica Eletrodos Eletrólitos Transistors Electrolyte solutions Semiconductors Semiconductor doping Electrochemical analysis Electrodes Electrolytes |
| Data do documento: | 27-Mar-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | SILVA, Denny Paula. Transistores de porta eletrolítica utilizando gelatina como matriz sustentável para ancoramento do eletrólito. 2025. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | O presente estudo investigou a utilização de transistores com porta eletrolítica (do inglês, Electrolyte Gated Transistors – EGTs), utilizando gelatina em folha como matriz sustentável para ancoramento do eletrólito água. Sob esta estrutura, foi analisada a influência da taxa de varredura sob o desempenho de curvas de transferência, bem como dois tamanhos do eletrodo de porta. As figuras de mérito desse dispositivo foram comparadas perante EGTs sem o uso da matriz de gelatina, onde então o eletrólito água fica confinado num reservatório de PDMS. Como material comum à todos os EGTs há o canal semicondutor, composto por poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT). A escolha da gelatina em folha como matriz para o eletrólito se deve às suas propriedades biodegradáveis, abundância, baixo custo e fácil manipulação, tornando-se um material promissor para aplicação em dispositivos eletrônicos sustentáveis. Foram investigadas duas configurações de dispositivos: uma utilizando substrato com eletrodos fonte e dreno de ITO e eletrodo porta de grafite na configuração de eletrodo porta de topo, e outra com eletrodos de ouro na configuração “gate in-plane”. O uso da gelatina como matriz de ancoramento, perante resultados de EGTs com reservatório de PDMS, mostrou-se positiva no quesito de diminuir valores de tensão de threshold e aumentar razão on/off. A análise da taxa de varredura demonstrou influência quase desprezível no comportamento do EGT, dentro dos valores de taxa estudados. Esse perfil fornece indícios de que o EGT demostra ser modulado por efeito de campo sem dopagem iônica, que tem como perfil o rápido tempo de resposta, e baixa (ou desprezível) dependência com taxa de varredura ao longo da caracterização elétrica. Em relação ao tamanho do eletrodo porta, este apresentou um impacto significativo nas respostas elétricas do dispositivo que é mais um indício de que o EGT opera sob efeito de campo apenas, fazendo com que a capacitância por unidade de área (𝐶𝑖) seja um fator relevante mensurado sob o aumento do tamanho do eletrodo porta. O EGT estudado também apresentou boa estabilidade ao longo de trinta ciclos de curva de transferência, considerado este um ponto bastante positivo, uma vez que o semicondutor usado é um polímero. Com intuito de ampliar o estudo para outro eletrólito líquido, ancorável na matriz sustentável de gelatina de forma a evidenciar sua versatilidade, este trabalho também investigou o uso de leite bovino comercial, integral e desnatado, como eletrólito. O intuito desta etapa é verificar a viabilidade dessa plataforma para realizar distinção entre leite com diferentes percentuais de gordura. Esta etapa utilizou a estrutura de EGT de substrato com eletrodos de ouro e eletrodo porta in-plane. Nesta análise, foram observadas diferenças nas respostas dos EGTs quando se compararam o leite integral (3%) e o leite desnatado (0%), trazendo indícios de viabilidade de utilizar essa abordagem para distinguir entre os dois tipos de leite. Os resultados indicam que a gelatina em folha é uma matriz eficiente, de fácil manipulação e baixo custo, para o ancoramento do eletrólito, promovendo um ambiente adequado para a operação dos EGTs tanto usando água Milli-Q quando leite como eletrólito. A utilização desta matriz representa um avanço na exploração de EGTs como plataformas de sensoriamento, dada sua biocompatibilidade, suas propriedades biodegradáveis mostrando-se viável em aplicações eletrônicas sustentáveis. |
| Abstract: | The present study investigated the use of electrolyte-gated transistors (EGTs), utilizing sheet gelatin as a sustainable matrix for anchoring a water-based electrolyte. Under this structure, the influence of the scan rate on the performance of transfer curves, as well as two different gate electrode sizes, was analyzed. The figures of merit of this device were compared to EGTs without the gelatin matrix, where the water electrolyte is confined in a PDMS reservoir. The semiconductor channel, composed of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), was the common material in all EGTs. The choice of sheet gelatin as the electrolyte matrix is due to its biodegradable properties, abundance, low cost, and ease of handling, making it a promising material for application in sustainable electronic devices. Two device configurations were investigated: one using a substrate with ITO source and drain electrodes and a graphite gate electrode in a top-gate configuration, and another with gold electrodes in a “gate in-plane”configuration. The use of gelatin as an anchoring matrix, compared to results from EGTs with a PDMS reservoir, proved positive in terms of reducing threshold voltage values and increasing the on/off ratio. The analysis of the scan rate showed almost negligible influence on the behavior of the EGT within the studied scan rate values. This profile provides evidence that the EGT is modulated by a field-effect without ionic doping, characterized by a fast response time and low (or negligible) dependence on the scan rate during electrical characterization. Regarding the gate electrode size, it had a significant impact on the device’s electrical responses, further indicating that the EGT operates solely under a field-effect, making the capacitance per unit area (𝐶𝑖) a relevant factor measured with the increase in gate electrode size. The studied EGT also showed good stability over thirty transfer curve cycles, which is considered a very positive point, given that the semiconductor used is a polymer. To expand the study to another liquid electrolyte that can be anchored in the sustainable gelatin matrix, thereby demonstrating its versatility, this work also investigated the use of commercial bovine milk, both whole and skimmed, as an electrolyte. The aim of this stage was to verify the feasibility of this platform to distinguish between milk with different fat percentages. This stage utilized the EGT structure with a substrate of gold electrodes and an in-plane gate electrode. In this analysis, differences in the responses of the EGTs were observed when comparing whole milk and skimmed milk, suggesting the feasibility of using this approach to distinguish between the two types of milk. The results indicate that sheet gelatin is an efficient, easy-to-handle, and low-cost matrix for anchoring the electrolyte, providing a suitable environment for the operation of EGTs using both Milli-Q water and milk as electrolytes. The use of this matrix represents an advancement in the exploration of EGTs as sensing platforms, given its biocompatibility and biodegradable properties, showing viability in sustainable electronic applications. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37133 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia |
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