Field-effect transistor as a platform to study magnetotransport and biosensing.

Yang, Zuchong (2025). Field-effect transistor as a platform to study magnetotransport and biosensing. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 131 p.

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Résumé

Les transistors à effet de champ (FETs) à base de silicium constituent la pierre angulaire des technologies électroniques modernes. Dans un FET-un dispositif à trois électrodes comprenant une source, un drain et une grille, la résistance du canal mesurée entre la source et le drain peut être modulée par un champ électrique perpendiculaire appliqué via la grille. Ce dispositif est également devenu une plateforme de référence pour évaluer les performances de transport de charge de nouveaux matériaux autres que le silicium. Parmi ceux-ci, les premiers matériaux représentatifs sont les semi-conducteurs organiques (OSCs), composés de molécules conjuguées à base de carbone maintenues ensemble par des interactions de non covalente. Bien qu’ils présentent des propriétés attrayantes telles qu’une grande flexibilité de fonctionnalisation chimique, une compatibilité avec les procédés en solution et une biocompatibilité, leur microstructure relativement désordonnée, due aux faibles interactions intermoléculaires, engendre certaines non-idéalités lors de leur intégration dans des FETs. Le principal problème réside dans la résistance de contact (Rc) élevée, qui diminue inévitablement la tension effective appliquée au canal. La majorité des études précédentes se sont concentrées sur la compréhension et la réduction de Rc pour les semi-conducteurs moléculaires cristallins, tandis que peu de travaux ont été réalisés sur les polymères conjugués, en particulier les copolymères de type donneur-accepteur les plus récents. Ainsi, au Chapitre 2, nous avons étudié la Rc ainsi que les mécanismes d’injection et de transport de charge associés à l’aide d’un copolymère isoindigo-bithiophène. Une caractérisation électrique dépendante de la température ainsi que deux types de simulations ont été menées pour sonder expérimentalement et mieux comprendre la Rc. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’un des effets les plus marquants du champ magnétique dans les OSCs, à savoir la magnétorésistance (MR). Comparés aux structures de diodes largement utilisées, les FETs ont été bien moins explorés dans ce contexte, bien qu’ils puissent constituer une plateforme plus adaptée pour moduler et comprendre la MR. Ainsi, au Chapitre 3, nous avons étudié la MR modulée par grille dans trois polymères conjugués représentatifs, en analysant ses dépendances en température, tension et interface. Une corrélation a été mise en évidence entre l’amplitude de la MR et la constante de temps caractéristique du piégeage des charges. Le second matériau représentatif étudié est le graphène bidimensionnel, caractérisé par une mobilité de charge record, une surface accessible et un transport électron-trou intrinsèquement équilibré. Ces propriétés rendent les FETs à base de graphène particulièrement prometteurs pour les applications en biodétection. Cependant, pour conférer au graphène une spécificité envers un analyte biologique donné, il doit être fonctionnalisé par une sonde biomoléculaire appropriée. Cela nécessite une couche préalablement déposée servant de lien pour immobiliser les sondes sur le graphène. Le processus de fonctionnalisation complet est souvent complexe et limité en termes de matériaux disponibles. Ainsi, au Chapitre 4, nous avons proposé une nouvelle stratégie de fonctionnalisation pour les FETs à base de graphène, reposant sur une hétérostructure hybride molécule diazirine/graphène, et avons démontré sa faisabilité pour l’immobilisation et la détection d’ADN. La thèse se conclut par une section finale de conclusions et perspectives.


Field-effect transistors (FETs) based on silicon have been the building block of modern electronic technologies. In an FET-a three-terminal device comprising a source, drain, and gate electrode, the channel resistance measured between source and drain can be tuned by means of an out-of-plane gate electric field. It has also become a standard platform for testing the charge transport performance of new materials other than silicon. Among them, the first archetypal material is the organic semiconductors (OSCs) consisting of repeating carbon-based conjugated molecules held together by non-covalent interactions. Although they presented attractive properties such as versatile chemical tunability, solution-processability, and bio-compatibility, their relatively disordered microstructure due to the weak intermolecular interactions also brings about some non-idealities when integrated into FETs. The most notable issue is the high contact resistance (Rc), which inevitably decreases the effective voltage supply to the channel. Most of the previous reports focused on understanding and finding approaches to reduce Rc for crystalline molecular semiconductors, while little was known for conjugated polymers, especially for these state-of-the-art donor-acceptor copolymers. Therefore, in Chapter 2, we studied the Rc and the relevant charge injection and transport mechanisms using an isoindigo-bithiophene copolymer. A thorough temperature-dependent electrical characterization and two different simulations to experimentally probe and understand the Rc. Thereafter, we focused on understanding one of the most prominent magnetic field effects in OSCs, namely the magnetoresistance (MR). Compared to diode structures that were widely used, the FET was much less explored but might be a more suitable platform in terms of tuning and understanding MR. Hence, in Chapter 3, we investigated the gated MR in three representative conjugated polymers with their temperature-, voltage-, and interface-dependences. The correlation between the MR amplitude and the characteristic charge trapping time constant was found. The second archetypal material is the two-dimensional graphene that has a record-high charge mobility, surface nature, and intrinsically balanced electron and hole transport. These features make graphene-FETs particularly promising in biosensing applications. However, to impart graphene with specificity to a certain biological analyte, it has to be functionalized by the corresponding biomolecular probe. This requires a pre-deposited layer serving as a linker that can immobilize the probes on graphene. The total functionalization process is usually cumbersome and with limited material options. Thus, in Chapter 4, we introduced a novel functionalization strategy for graphene-FETs based on a hybrid diazirine molecule/graphene heterostructure and explored its proof-of-concept application for the immobilization and detection of DNA. The thesis ends with a final section of conclusions and outlook.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Orgiu, Emanuele
Mots-clés libres:	Transistor à effet de champ ; semi-conducteur organique ; résistance de contact ; polymère conjugué ; magnétorésistance ; piégeage de charge ; graphène ; hétérostructure hybride de van der Waals ; biodétection ; ADNField-effect transistor ; organic semiconductor ; contact resistance ; conjugated polymer ; magnetoresistance ; charge trapping ; graphene ; hybrid van der Waals heterostructure ; biosensor ; DNA
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	21 mai 2026 18:47
Dernière modification:	21 mai 2026 18:47
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17193

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