Wirkung von Biegen auf die elektrischen Eigenschaften von flexiblen organischen Einkristall-basierte Feldeffekttransistoren

Zusammenfassung

Diese Handschrift beschreibt den Biegeprozess eines organischen Einkristall-basierten Feldeffekttransistor eine betriebsfähige Vorrichtung zur elektronischen Eigenschaftsmessung aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse legen nahe, dass Biege verursacht Veränderungen in der molekularen Abstand im Kristall und somit in der Ladungssprungrate, die in flexible Elektronik wichtig ist.

Zusammenfassung

Der Ladungstransport in einem organischen Halbleiter hängt stark von der molekularen Packung im Kristall, die immens die elektronische Kopplung beeinflusst. Doch in weichen Elektronik, in denen organische Halbleiter eine entscheidende Rolle spielen, werden die Geräte immer wieder gebogen oder gefaltet werden. Die Wirkung der auf die Kristallpackung Biegen und somit die Ladungstransport ist entscheidend für die Leistung der Vorrichtung. In diesem Manuskript beschreiben wir das Protokoll einen Einkristall aus 5,7,12,16-Tetrachlor-6,13-diazapentacene (TCDAP) in der Feldeffekttransistor-Konfiguration zu biegen und reproduzierbare IV Eigenschaften zu erhalten, um den Kristall beim Biegen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Feldeffekttransistor Biege auf einem flexiblen Substrat Ergebnisse vorbereitet in nahezu reversibel noch gegenläufige Tendenzen in Ladungsmobilität in Abhängigkeit von der Biegerichtung. Die Mobilität nimmt zu, wenn das Gerät in Richtung der oberen Gate / dielektrische Schicht gebogen ist (nach oben, Druckzustand) und nimmt ab, wenn seinnt in Richtung der Kristall / Substratseite (nach unten, Zug-Zustand). Die Wirkung der Krümmung Biege wurde auch mit einer größeren Mobilität Veränderung beobachtet, von höheren Biegekrümmung führt. Es wird vorgeschlagen, dass die intermolekulare π-π Abstandsänderungen beim Biegen, wodurch die elektronische Kopplung zu beeinflussen und die nachfolgende Trägertransportfähigkeit.

Einleitung

Weiche elektronische Geräte, wie Sensoren, Displays und tragbare Elektronik, werden derzeit entwickelt und mehr aktiv erforscht, und viele haben auch auf dem Markt in den letzten Jahren ^1,2,3,4 gestartet. Organische Halbleitermaterialien eine wichtige Rolle in diesen elektronischen Vorrichtungen aufgrund ihrer inhärenten Vorteile spielen, einschließlich niedrige Entwicklungskosten, die Fähigkeit , in Lösung oder bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, und insbesondere ihre Flexibilität im Vergleich zu anorganischen Halbleitern ^5,6. Ein besonderer Rücksichtnahme auf diese Elektronik ist, dass sie zu häufigem Biegen unterworfen werden. Biege führt Dehnung in den Komponenten und den Materialien innerhalb der Vorrichtung. Eine stabile und konsistente Leistung ist erforderlich, da solche Vorrichtungen gebogen sind. Die Transistoren sind ein wichtiger Bestandteil in den meisten dieser Elektronik, und ihre Leistung unter Biegen von Interesse ist. Eine Reihe von Studien haben dieses Leistungsproblem angesprochen durch Biegen Bio THin Filmtransistoren ^7,8. Während die Änderungen in der Leitfähigkeit beim Biegen in einer polykristallinen Dünnschicht zwischen den Körnern in Abstand zu den Veränderungen zurückgeführt werden, eine grundlegende Frage ist zu fragen, ob die Leitfähigkeit beim Biegen in einem einzigen Kristall ändern können. Es ist allgemein anerkannt , dass Ladungstransport zwischen organischen Molekülen zwischen den Molekülen und der Reorganisationsenergie , die an der Umwandlung zwischen den neutralen und geladenen Staaten ⁹ stark auf elektronische Kopplung abhängt. Elektronische Kopplung ist sehr empfindlich auf den Abstand zwischen benachbarten Molekülen und zur Überlappung der Grenzorbitale. Das Biegen eines gut geordnete Kristall führt Stamm und kann die relative Position der Moleküle im Kristall ändern. Dies kann mit einem Einkristall-basierten Feldeffekttransistor getestet werden. Ein Bericht verwendet Einkristalle von Rubren auf einem flexiblen Substrat , das die Wirkung von Kristalldicke zu studieren , auf ¹⁰ biegen. DeLaster mit Nanodraht- Kristalle Kupferphthalocyanin auf einem flachen Substrat hergestellt wurden , beim Biegen ¹¹ eine höhere Mobilität zu haben , gezeigt. Allerdings haben sich die Eigenschaften für eine FET-Vorrichtung gebogen in verschiedenen Richtungen nicht erforscht.

Das Molekül 5,7,12,16-Tetrachlor-6,13-diazapentacene (TCDAP) ist ein n-Typ - Halbleitermaterial ^12. Der Kristall aus TCDAP hat eine monokline Packungsmotiv mit verschobenen π-π - Stapelung zwischen benachbarten Molekülen entlang der a - Achse der Einheitszelle bei einer Zellenlänge von 3.911 Å. Der Kristall wächst entlang dieser Packungsrichtung lange Nadeln zu ergeben. Die maximale n-Typ - Feldeffekt - Beweglichkeit entlang dieser Richtung gemessen erreichte 3,39 cm ² / V · sec. Im Gegensatz zu vielen organischen Kristalle, die spröde und brüchig sind, ist TCDAP Kristall gefunden sehr flexibel zu sein. In dieser Arbeit haben wir TCDAP als leitender Kanal und bereitete den Einkristall-Feldeffekttransistor auf einem flexiblen Substrat of Polyethylenterephthalat (PET). Mobilität war für den Kristall auf einem flachen Substrat gemessen wird , mit der Vorrichtung gebogen in Richtung auf die flexible Substrat (nach unten) oder gebogen in Richtung der Gate / Dielektrikum Seite (nach oben). IV Daten analysiert wurden basierend auf Änderungen in der Stapel / Kopplungsabstand zwischen den benachbarten Molekülen.

Protokoll

1. Herstellung von ¹² TCDAP

1. Synthesize TCDAP durch folgende Literaturverfahren ^13.
2. Reinige den TCDAP Produkt durch die Temperatur-Gradienten Sublimationsverfahren, wobei die drei Temperaturzonen eingestellt bei 340, 270 und 250 ° C jeweils unter einem Vakuumdruck von 10 ^-6 Torr ^12,14.

2. Wachsen von Einkristallen von TCDAP Mit einem Physical Vapor Transfer (PVT) - System ¹⁴

1. Legen Sie die TCDAP Probe an einem Ende eines Bootes (5 cm lang) und laden Sie das Boot in ein Glasinnenrohr (15 cm lang, mit einem Durchmesser von 1,2 cm).
2. Legen Sie das Innenrohr in ein längeres Glasrohr (83 cm lang und 2 cm im Durchmesser) und drücken Sie, bis etwa 17 cm von der Öffnung.
3. Laden die lange Glasrohr in ein Kupferrohr (60 cm lang und 2,5 cm im Durchmesser), der horizontal auf einem Gestell befestigt ist; durch ein Heizband ar definiert Sicherstellen, dass das Boot von TCDAP ist in der Mitte der Heizfläche befindetound das Kupferrohr.
4. Spülen Sie die PVT-System mit Heliumgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 cm³ / min, und schalten Sie dann den Transformator das Heizband bis 310 ° C zu erwärmen; bei dieser Temperatur für zwei Tage aufrechterhalten.
5. Nach dem Abkühlen des Systems auf Raumtemperatur, sammelt die Kristalle von dem inneren Rohr.

3. Gerätefertigung

1. Legen Sie eine 200 um dicke, transparente, vorgeschnittene PET-Substrat (2 cm x 1 cm) in ein Fläschchen und reinigen Sie es durch Beschallung in Waschmittellösung, entsalztem Wasser und Aceton nacheinander für jeweils 30 min. Trocknen des Substrats durch Stickstoffstrom.
2. Platzieren doppelseitigem Klebeband auf dem PET-Substrat.
3. Untersuchen Sie die Kristalle unter einem Stereomikroskop. Wählen Sie gute Qualität, glänzende Kristalle mit einer Größe von ca. 5 mm x ~ 0,03 mm für die Gerätefertigung. Legen Sie eine nadelartige TCDAP Kristall parallel zu der Länge des PET-Substrats auf dem doppelseitigen Klebeband und befestigen Sie ihn sicher.
4. wat unter einem Stereomikroskop, geltener-basierte kolloidalem Graphit durch eine Mikroliterspritze Nadel in einer Linie (mehrere mm), die von den beiden Enden des Kristalls als Source und Drain wirkenden erstreckt. Warten Sie etwa 30 min für die kolloidalem Graphit zu trocknen und den Abstand zwischen den beiden Graphitflecken unter einem optischen Mikroskop messen die genaue Kanallänge zu bestimmen (halten Sie es bei 0,6-1 mm).
5. Verwenden Sie Kohlenstoff leitende Band das PET-Substrat auf einem Objektträger zu fixieren. Legen Sie die Folie in der Nähe des Endes des Pyrolyserohr der Abscheidungskammer.
6. Wiegen 0,5 g des Vorläufers des dielektrischen Isolators [2.2] Paracyclophan, und legen sie in der Nähe des Einlasses des Pyrolyserohr.
7. Abpumpen des Systems auf ein Vakuum von 10 ^-2 Torr. Vorheizen Pyrolysezone in der Nähe der Mitte des Rohres bis zu einer voreingestellten Temperatur von 700 ° C und bei dieser Temperatur halten.
8. Erhitzen Sie die [2.2] Paracyclophan Probe auf 150 ° C. Die Dämpfe des Vorläufers wird durch die Pyrolysezone passierendie Monomere zu erhalten, das nahe dem Ende des Pyrolyserohrs kondensiert zu polymerisieren.
9. Lassen Sie die Pyrolyse / Polymerisationsreaktion für 2 Stunden fortgesetzt.
10. Kühlen Sie das System herunter und nehmen Sie die Proben aus dem Pyrolyserohr.
11. Bestimmen die Dicke der abgeschiedenen dielektrischen Schicht, die durch die Stufenhöhe der Schicht zu messen und Substrat unter Verwendung eines Profilometers gemäß den Anweisungen des Herstellers.
12. Isopropanol basierenden kolloidalen Graphits durch eine Mikroliter-Spritzennadel in einer Linie auf der Rückseite der dielektrischen Schicht über dem Kristall gelten als Gate-Elektrode zu dienen.

4. Messen Sie die Leistung des Geräts

1. Verwenden Sie das Skalpell ein Loch durch die polymere dielektrische Schicht über der Source / Drain-Elektrodenbereich zu senken, um die Elektroden unter für die Verbindung zu belichten.
2. Mit Hilfe eines Stativs und Klemmen, bringen die Elektrodensonden vom Parameter Analyzer in Kontakt mitdie Source- / Drain- / Gate-Elektroden. Notieren Sie sich die IV-Eigenschaften bei unterschiedlichen Gate-Potentiale entsprechend den Anweisungen des Herstellers.
   Hinweis: Hier werden die Gate-Potentiale gesetzt von -60 V bis 60 V bei 15 V-Schritten.

5. Biegeversuche

1. Um die Eigenschaften im Zugversuch Zustand messen, wickeln Sie die Rückseite des flexiblen PET-Substrat um Zylinder mit unterschiedlichen Radien (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm und 5,8 mm) und befestigen Sie das PET-Substrat mit dem Zylinder auf vier Seiten mit Vakuumband .
2. Verbinden Sie die Sonden an die Source / Drain / Gate-Elektroden und messen die IV-Eigenschaften bei unterschiedlichen Gate-Potentiale, wie in 4.2 beschrieben.
3. Bis in den Druckzustand messen, wickeln Hälfte der vorderen Seite des PET-Substrats um das Ende eines Zylinders, so daß die Kristall / Source- / Drain- / Gate-Elektroden des Zylinders gegenüberstehen und noch immer noch ausgesetzt. Befestigen Sie das PET - Substrat auf dem Zylinder mit Vakuumband (siehe Abb. 5 ).
4. Verbinden Sie die Sonden an die Source / Drain / Gate-Elektroden und messen die IV-Eigenschaften bei unterschiedlichen Gate-Potentiale, wie in 4.2 beschrieben.
   ANMERKUNG: Eine Querschnittsdarstellung der Struktur der Vorrichtung ist in Fig. 1.

Ergebnisse

Die Einkristall - XRD - Analyse zeigt , dass TCDAP ist ein ausgedehntes π - System mit Molekülen entlang der a - Achse zu packen. Abb. 2 zeigt das Scanmuster durch Pulver - XRD für einen TCDAP Kristall. Eine Reihe von scharfen Peaks, beobachtet nur auf die Familie von (0, k, ℓ) -Ebenen entsprechen, indem sie mit dem Pulverbeugungsmuster des Kristalls verglichen wird. Dies würde bedeuten , dass die Kristallstruktur ausgerichtet ist , wie in gezeigt....

Diskussion

In diesem Versuch betreffen eine Reihe von Parametern, die erfolgreiche Messung der Feldeffekt-Mobilität. Erstens sollte der Einkristall groß genug sein, um für den Eigenschaftsmesswert in einem Feldeffekt-Vorrichtung hergestellt werden. Die physikalische Dampfübertragung (PVT) Verfahren ist derjenige, der größere Kristalle gezüchtet werden können. Durch Einstellen der Temperatur und der Strömungsrate des Trägergases, Kristalle von Größen bis zu einem halben Zentimeter erhalten werden. Zweitens ist die Auswa...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Colloidal Graphite (water-based)	TED PELLA,INC	NO.16053
Colloidal Graphite (IPA-based)	TED PELLA,INC	NO.16051
[2.2]Paracyclophane, 99%	Alfa Aesar	1633-22-3
polyethylene terephthalate	Uni-Onward
Mini-Mite 1,100 °C Tube Furnaces (Single Zone)	Thermo Scientific	TF55030A
Agilent 4156C Precision Semiconductor Parameter	Keysight	HP4156