The optoelectronic properties of macromolecular semiconductors depend fundamentally on their solid-state microstructure. For example, the molecular-weight distribution influences polymeric- semiconductor properties via diverse microstructures; polymers of low weight-average molecular weight (Mw) form unconnected, extended-chain crystals, usually of a paraffinic structure. Because of the non-entangled nature of the relatively short-chain macromolecules, this leads to a polycrystalline, one-phase morphology. In contrast, with high-Mw materials, where average chain lengths are longer than the length between entanglements, two-phase morphologies, comprised of crystalline moieties embedded in largely unordered (amorphous) regions, are obtained. We investigate charge photogeneration processes in neat regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) of varying Mw by means of time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy. At 10 K, PL originating from recombination of long-lived charge pairs decays over microsecond timescales. Both the amplitude and decay rate distribution depend strongly on Mw. In films with dominant one-phase chain-extended microstructures, the delayed PL is suppressed as a result of a diminished yield of photoinduced charges, and its decay is significantly faster than in two-phase microstructures. However, independent of Mw, charge recombination regenerates singlet excitons in torsionally disordered chains forming more strongly coupled photophysical aggregates than those in the steady-state ensemble, with delayed PL lineshape reminiscent of that in paraffinic morphologies at steady state. We conclude that highly delocalized excitons in disordered regions between crystalline and amorphous phases dissociate extrinsically with yield and spatial distribution that depend intimately upon microstructure.

Abstract Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS, has been utilized for over two decades as a stable, solution-processable hole conductor. While its hole transport properties have been the subject of intense investigation, recent work has turned to PEDOT:PSS as a mixed ionic/electronic conductor in applications including bioelectronics, energy storage and management, and soft robotics. Conducting polymers can efficiently transport both holes and ions when sufficiently hydrated, however, little is known about the role of morphology on mixed conduction. Here, we show that bulk ionic and electronic mobilities are simultaneously affected by processing-induced changes in nano- and meso-scale structure in PEDOT:PSS films. We quantify domain composition, and find that domain purification on addition of dispersion co-solvents limits ion mobility, even while electronic conductivity improves. We show that an optimal morphology allows for the balanced ionic and electronic transport that is critical for prototypical mixed conductor devices. These findings may pave the way for the rational design of polymeric materials and processing routes to enhance devices reliant on mixed conduction.

The development of transistors with high gain is essential for applications ranging from switching elements and drivers to transducers for chemical and biological sensing. Organic transistors have become well-established based on their distinct advantages, including ease of fabrication, synthetic freedom for chemical functionalization, and the ability to take on unique form factors. These devices, however, are largely viewed as belonging to the low-end of the performance spectrum. Here we present organic electrochemical transistors with a transconductance in the mS range, outperforming transistors from both traditional and emerging semiconductors. The transconductance of these devices remains fairly constant from DC up to a frequency of the order of 1 kHz, a value determined by the process of ion transport between the electrolyte and the channel. These devices, which continue to work even after being crumpled, are predicted to be highly relevant as transducers in biosensing applications. Although organic transistors have many advantages, they are not typically known for their high performance. Khodagholy et al. report the fabrication of organic electrochemical transistors that combine high transconductance with mechanical flexibility, and are attractive for biosensor applications.

In this Perspective, we make the case that the biological applications of organic semiconductor devices are significant. Indeed, we argue that this is an arena where organic materials have an advantage compared to traditional electronic materials, such as silicon. By discussing the physical structure and morphology of conjugated polymers, we are able to emphasize the key properties that make organic materials ideal for bioelectronics applications. We highlight a few recent devices that show either unique features or exceptionally high performance. On the basis of these examples, we discuss the future trajectory of this emerging field, note areas where further research is needed, and suggest possible applications in the short term.

Transistors with tunable transconductance allow high-quality recordings of human brain rhythms.

Significance Side-chain engineering is a versatile tool to modify the processability, as well as the physical, electrical, and optical properties, of conjugated polymers. This approach is used to tailor the operating mechanism of electrolyte-gated organic transistors, allowing for facile bulk doping and therefore efficient modulation of transistor channel conductance. Such transistors combine fast response with high current-to-voltage signal transduction necessary for active sensing and low-power circuit applications.

Organic mixed conductors have garnered significant attention in applications from bioelectronics to energy storage/generation. Their implementation in organic transistors has led to enhanced biosensing, neuromorphic function, and specialized circuits. While a narrow class of conducting polymers continues to excel in these new applications, materials design efforts have accelerated as researchers target new functionality, processability, and improved performance/stability. Materials for organic electrochemical transistors (OECTs) require both efficient electronic transport and facile ion injection in order to sustain high capacity. In this work, we show that the product of the electronic mobility and volumetric charge storage capacity (µC*) is the materials/system figure of merit; we use this framework to benchmark and compare the steady-state OECT performance of ten previously reported materials. This product can be independently verified and decoupled to guide materials design and processing. OECTs can therefore be used as a tool for understanding and designing new organic mixed conductors.

ConspectusThe emerging field of organic bioelectronics bridges the electronic world of organic-semiconductor-based devices with the soft, predominantly ionic world of biology. This crosstalk can occur in both directions. For example, a biochemical reaction may change the doping state of an organic material, generating an electronic readout. Conversely, an electronic signal from a device may stimulate a biological event. Cutting-edge research in this field results in the development of a broad variety of meaningful applications, from biosensors and drug delivery systems to health monitoring devices and brain–machine interfaces. Conjugated polymers share similarities in chemical “nature” with biological molecules and can be engineered on various forms, including hydrogels that have Young’s moduli similar to those of soft tissues and are ionically conducting. The structure of organic materials can be tuned through synthetic chemistry, and their biological properties can be controlled using a variety of functionalization strategies. Finally, organic electronic materials can be integrated with a variety of mechanical supports, giving rise to devices with form factors that enable integration with biological systems. While these developments are innovative and promising, it is important to note that the field is still in its infancy, with many unknowns and immense scope for exploration and highly collaborative research. The first part of this Account details the unique properties that render conjugated polymers excellent biointerfacing materials. We then offer an overview of the most common conjugated polymers that have been used as active layers in various organic bioelectronics devices, highlighting the importance of developing new materials. These materials are the most popular ethylenedioxythiophene derivatives as well as conjugated polyelectrolytes and ion-free organic semiconductors functionalized for the biological interface. We then discuss several applications and operation principles of state-of-the-art bioelectronics devices. These devices include electrodes applied to sense/trigger electrophysiological activity of cells as well as electrolyte-gated field-effect and electrochemical transistors used for sensing of biochemical markers. Another prime application example of conjugated polymers is cell actuators. External modulation of the redox state of the underlying conjugated polymer films controls the adhesion behavior and viability of cells. These smart surfaces can be also designed in the form of three-dimensional architectures because of the processability of conjugated polymers. As such, cell-loaded scaffolds based on electroactive polymers enable integrated sensing or stimulation within the engineered tissue itself. A last application example is organic neuromorphic devices, an alternative computing architecture that takes inspiration from biology and, in particular, from the way the brain works. Leveraging ion redistribution inside a conjugated polymer upon application of an electrical field and its coupling with electronic charges, conjugated polymers can be engineered to act as artificial neurons or synapses with complex, history-dependent behavior. We conclude this Account by highlighting main factors that need to be considered for the design of a conjugated polymer for applications in bioelectronics—although there can be various figures of merit given the broad range of applications, as emphasized in this Account.