Efecto de doblez en las características eléctricas de los transistores de efecto de campo basados ​​en cristal orgánico único flexible

Resumen

Este manuscrito describe el proceso de plegado de un solo campo transistor de efecto a base de cristal orgánico para mantener en funcionamiento un dispositivo para la medición de la propiedad electrónica. Los resultados sugieren que las causas de flexión cambios en la separación molecular en el cristal y por lo tanto en la tasa de salto de carga, que es importante en la electrónica flexible.

Resumen

El transporte de carga en un semiconductor orgánico depende en gran medida del empaquetamiento molecular en el cristal, que influye en el acoplamiento electrónico inmensamente. Sin embargo, en la electrónica suaves, en los que los semiconductores orgánicos juegan un papel crítico, los dispositivos pueden doblar o plegar repetidamente. El efecto de la flexión del cristal de embalaje y por tanto el transporte de la carga es crucial para el rendimiento del dispositivo. En este manuscrito, se describe el protocolo para doblar un único cristal de 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) en la configuración de transistor de efecto de campo y para obtener características reproducibles IV al doblarse el cristal. Los resultados muestran que la flexión de un transistor de efecto de campo preparado en un flexibles resultados de sustrato en las tendencias todavía opuestos casi reversibles en la movilidad de carga, dependiendo de la dirección de doblado. La movilidad aumenta cuando el dispositivo está doblada hacia el / capa dieléctrica superior de la puerta (hacia arriba, el estado de compresión) y disminuye cuando sent hacia el lado del cristal / sustrato (a la baja, el estado de tracción). También se observó el efecto de curvatura de flexión, con un cambio mayor movilidad que da mayor curvatura de flexión. Se sugiere que los cambios intermoleculares distancia π-π al doblarse, lo que influye en el acoplamiento electrónico y la posterior capacidad de transporte de portadores.

Introducción

Dispositivos electrónicos suaves, tales como sensores, monitores, portátiles y electrónica, se están diseñando actualmente e investigados de manera más activa, y muchos incluso se han lanzado en el mercado en los últimos años ^1,2,3,4. Materiales semiconductores orgánicos juegan un papel importante en estos dispositivos electrónicos, debido a sus ventajas inherentes, incluyendo bajo coste de desarrollo, la capacidad de ser preparado en solución o a bajas temperaturas, y, en particular, su flexibilidad en comparación con semiconductores inorgánicos ^5,6. Una consideración especial para estos dispositivos electrónicos es que van a ser sometidos a flexión frecuente. Doblado introduce tensión en los componentes y los materiales dentro del dispositivo. Un rendimiento estable y consistente es necesario ya que los productos estén dobladas. Los transistores son un componente vital en la mayor parte de estos dispositivos electrónicos, y su rendimiento bajo flexión es de interés. Un número de estudios han abordado este problema de rendimiento doblando t orgánicahin película de transistores ^7,8. Mientras que los cambios en la conductancia al doblarse se pueden atribuir a los cambios en la separación entre los granos en una película delgada policristalina, una pregunta más fundamental para hacerse es si la conductancia puede cambiar dentro de un único cristal a la flexión. Es bien aceptado que el transporte de carga entre moléculas orgánicas depende fuertemente de acoplamiento electrónico entre las moléculas y la energía de reorganización involucrado en la interconversión entre los estados neutros y cargados ^9. acoplamiento electrónico es altamente sensible a la distancia entre las moléculas vecinas y para el solapamiento de orbitales moleculares de frontera. La flexión de un cristal bien ordenada introduce cepa y puede cambiar la posición relativa de las moléculas dentro del cristal. Esto se puede comprobar con una sola de efecto de campo transistor a base de cristal. En un informe se utiliza monocristales de rubreno sobre un sustrato flexible para estudiar el efecto del espesor de cristal al doblarse ^10. Delawarevicios con cristales de nanocables ftalocianina de cobre preparados en un sustrato plano mostraron tener una mayor movilidad al doblarse ^11. Sin embargo, las propiedades de un dispositivo de doblado FET en diferentes direcciones no han sido exploradas.

La molécula de 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) es un material semiconductor de tipo n ^12. El cristal de TCDAP tiene un motivo de embalaje monoclínica con desplazado apilamiento π-π entre moléculas vecinas a lo largo del eje de la celda unidad a la longitud de la célula de 3.911 Å. El cristal crece a lo largo de esta dirección de empaque para dar agujas largas. El máximo de tipo n de efecto de campo movilidad medido largo de esta dirección llegó a 3,39 cm ² / V · seg. A diferencia de muchos cristales orgánicos que son quebradizos y frágiles, cristal TCDAP se encuentra para ser altamente flexible. En este trabajo se utilizó TCDAP como el canal de conducción y preparó el cristal único transistor de efecto de campo sobre un sustrato flexible otereftalato de polietileno f (PET). La movilidad se midió para el cristal sobre un sustrato plano, con el dispositivo de inclinación hacia el sustrato flexible (hacia abajo) o doblado hacia el / lado dieléctrico de la compuerta (hacia arriba). IV datos fueron analizados con base en los cambios en la distancia de apilamiento / acoplamiento entre los vecinos moléculas.

Protocolo

1. Preparación de TCDAP ¹²

1. TCDAP sintetizar siguiendo procedimientos de la bibliografía ^13.
2. Se purifica el producto TCDAP por el método de sublimación con gradiente de temperatura, con las tres zonas de temperatura a 340, 270, y 250 ° C, respectivamente, bajo una presión de vacío de 10 Torr ^{-6 12,14.}

2. crecer monocristales de TCDAP usando una transferencia física de vapor (PVT) Sistema ¹⁴

1. Coloque la muestra TCDAP en un extremo de un barco (5 cm de largo) y cargar el barco en un tubo interior de vidrio (15 cm de largo con un diámetro de 1,2 cm).
2. Cargar el tubo interior en un tubo de vidrio más largo (83 cm de largo y 2 cm de diámetro) y empujarlo en a aproximadamente 17 cm desde la abertura.
3. Cargar el tubo de vidrio larga en un tubo de cobre (60 cm de largo y 2,5 cm de diámetro) fijado horizontalmente sobre una rejilla; asegúrese de que el barco de TCDAP se encuentra en el medio de la zona de calentamiento definido por una banda de calentamiento arOundu el tubo de cobre.
4. Purgar el sistema PVT con gas helio a una velocidad de flujo de 30 cc / min, y luego encienda el transformador para calentar la banda de calentamiento a 310 ° C; mantener a esta temperatura durante dos días.
5. Después de enfriar el sistema a temperatura ambiente, recoger los cristales de la cámara de aire.

Fabrication 3. Dispositivo

1. Ponga un 200-m de espesor, transparente, pre-cortar sustrato PET (2 cm x 1 cm) en un vial y limpiarlo por sonicación en solución de detergente, agua desionizada, y acetona, en secuencia, para 30 min cada uno. Se seca el sustrato mediante flujo de nitrógeno.
2. Coloque la cinta de doble cara en el sustrato de PET.
3. Examinar los cristales bajo un microscopio estereoscópico. Seleccione buena calidad, los cristales brillantes con una dimensión de ~ 5 mm x ~ 0,03 mm para la fabricación del dispositivo. Colocar un cristal TCDAP paralelo en forma de aguja con la longitud del sustrato de PET en la cinta de doble cara y fijarlo con seguridad.
4. Bajo un microscopio estereoscópico, aplicar watgrafito coloidal basado en er a través de una aguja de jeringa de microlitros en una línea (varios mm) que se extiende desde los dos extremos del cristal que actúa como la fuente y el drenaje. Espere alrededor de 30 min para el grafito coloidal para secar y medir la distancia entre los dos puntos de grafito bajo un microscopio óptico para determinar la longitud del canal exacto (mantenerlo a 0,6 a 1 mm).
5. Use cinta conductora de carbono para fijar el sustrato de PET en un portaobjetos de microscopio. Colocar el portaobjetos cerca del extremo del tubo de pirólisis de la cámara de deposición.
6. Pesar 0,5 g del precursor del aislante dieléctrico, [2.2] paraciclofano, y colocarlo cerca de la entrada del tubo de pirólisis.
7. Bombear el sistema a un vacío de 10 ^-2 Torr. Pre-calentar la zona de pirólisis cerca del centro del tubo hasta una temperatura prefijada de 700 ° C y mantener a esta temperatura.
8. Calentar la muestra [2.2] paraciclofano a 150 ° C. Los vapores del precursor pasarán a través de la zona de pirólisispara dar a los monómeros, que condensar cerca del extremo del tubo de pirólisis para polimerizar.
9. Deje que la reacción de pirólisis / polimerización continúe durante 2 horas.
10. Enfriar el sistema y sacar las muestras del tubo de pirólisis.
11. Determine el espesor de la capa dieléctrica depositada por la medición de la altura de los escalones de la capa y el sustrato usando un perfilómetro de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
12. Aplicar basado en isopropanol de grafito coloidal a través de una aguja de jeringa de microlitros en una línea en la parte posterior de la capa dieléctrica por encima del cristal para servir como el electrodo de puerta.

4. Medir el rendimiento del dispositivo

1. Utilice el bisturí para cortar un agujero a través de la película dieléctrica de polímero por encima de la zona de electrodo de fuente / drenaje con el fin de exponer los electrodos debajo para la conexión.
2. Con la ayuda de un soporte y abrazaderas, llevar las sondas de electrodos desde el analizador de parámetros en contacto conlos electrodos de fuente / drenaje / Gate. Registrar las características IV en diferentes potenciales de puerta de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
   Nota: En este caso, los potenciales de puerta se establecen desde -60 V a 60 V a 15 V pasos.

5. Experimentos Doblado

1. Para medir las propiedades en el estado de tracción, envolver la parte posterior del sustrato PET flexible alrededor de cilindros de diferentes radios (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm, y 5,8 mm) y fijar el sustrato de PET al cilindro en los cuatro lados con la cinta de vacío .
2. Conectar las sondas para los electrodos de fuente / drenaje / puerta y medir las características IV en diferentes potenciales de puerta como se describe en 4.2.
3. Para medir en el estado de compresión, envolver la mitad de la parte frontal del sustrato de PET en todo el extremo de un cilindro, de manera que los electrodos de cristal / fuente / drenaje / de puerta se enfrentan al cilindro y, sin embargo todavía están expuestos. Fijar el sustrato PET sobre el cilindro con la cinta de vacío (véase la Fig. 5 ).
4. Conectar las sondas para los electrodos de fuente / drenaje / puerta y medir las características IV en diferentes potenciales de puerta como se describe en 4.2.
   NOTA: Una ilustración en sección transversal de la estructura del dispositivo se muestra en la Fig. 1.

Resultados

El análisis de cristal único de difracción de rayos X revela que TCDAP es un sistema π extendida con moléculas de embalaje a lo largo del eje a. Fig. 2 muestra el patrón de escaneo por XRD en polvo para un cristal TCDAP. se observó una serie de picos agudos, que corresponde solamente a la familia de (0, k, ℓ) planos, mediante la comparación con el patrón de difracción de polvo del cristal. Esto implicaría que la estructura cristalina está orientado...

Discusión

En este experimento, una serie de parámetros afecta a la medición satisfactoria de la movilidad de efecto de campo. En primer lugar, el cristal único debe ser lo suficientemente grande para ser fabricado en un dispositivo de efecto de campo para la medición de la propiedad. El método de transferencia física de vapor (PVT) es la que permite que los cristales más grandes para ser cultivadas. Mediante el ajuste de la temperatura y el caudal del gas portador, cristales de tamaños hasta medio centímetro puede ser ob...

Materiales

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