Effetto di piegare sulle caratteristiche elettriche di transistor ad effetto di campo basati su cristallo Flexible Organic singolo

Riepilogo

Questo manoscritto descrive il processo di piegatura di un singolo transistor a effetto di campo a base di cristallo organica di mantenere un dispositivo funzionante, per la misura di proprietà elettroniche. I risultati suggeriscono che provoca flessione cambiamenti nella spaziatura molecolare nel cristallo e quindi del tasso salti di carica, che è importante in elettronica flessibili.

Abstract

Il trasporto di carica in un semiconduttore organico dipende fortemente sull'imballaggio molecolare nel cristallo, che influenza l'accoppiamento elettronico immensamente. Tuttavia, in elettronica morbidi, nei quali semiconduttori organici svolgono un ruolo fondamentale, i dispositivi saranno piegati o piegati più volte. L'effetto di piegare sull'imballaggio cristallo e quindi il trasporto di carica è fondamentale per le prestazioni del dispositivo. In questo manoscritto, descriviamo il protocollo di piegare un singolo cristallo di 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) nella configurazione a transistor ad effetto di campo e di ottenere caratteristiche IV riproducibili sulla flessione del cristallo. I risultati mostrano che la piegatura di un transistor a effetto di campo preparati su un flessibile risultati substrato nelle tendenze ancora opposte quasi reversibili in mobilità di carica, a seconda della direzione di piegatura. La mobilità aumenta quando il dispositivo è piegato verso il / strato dielettrico di gate superiore (verso l'alto, lo stato di compressione) e diminuisce quando esserent verso il lato di cristallo / substrato (verso il basso, lo stato di trazione). è stato anche osservato l'effetto di piegatura di curvatura, con cambiamento maggiore mobilità dovuta maggiore curvatura curvatura. Si suggerisce che i cambiamenti intermolecolari distanza π-π su flessione, influenzando così l'accoppiamento elettronico e la conseguente capacità di trasporto del vettore.

Introduzione

Dispositivi elettronici morbidi, quali sensori, display e elettronica indossabile, sono attualmente in fase progettati e studiati in modo più attivo, e molti sono stati anche lanciato sul mercato negli ultimi anni ^1,2,3,4. Materiali semiconduttori organici svolgono un ruolo importante in questi dispositivi elettronici a causa dei loro vantaggi intrinseci, compreso il prezzo basso sviluppo, la capacità di essere preparato in soluzione o alle basse temperature, e, in particolare, la loro flessibilità rispetto ai semiconduttori inorganici ^5,6. Una considerazione speciale per queste elettronica è che essi saranno sottoposti a flessione frequenti. Bending introduce tensione nei componenti e dei materiali all'interno del dispositivo. Una prestazione stabile e coerente è necessaria in quanto tali dispositivi sono piegate. I transistor sono una componente essenziale per la maggior parte di questi elettronica, e le loro prestazioni in flessione è di interesse. Un certo numero di studi hanno affrontato il problema di prestazioni piegando t organicapellicola hin transistor ^7,8. Mentre le variazioni di conduttanza upon piegatura possono essere attribuiti ai cambiamenti nella spaziatura tra i grani in un film sottile policristallino, una domanda più fondamentale da porsi è se la conduttanza può cambiare in un singolo cristallo sulla piegatura. E 'ben noto che il trasporto di carica tra molecole organiche dipende fortemente accoppiamento elettronico tra le molecole e l'energia di riorganizzazione coinvolti nella interconversione tra gli stati neutri e carichi ^9. accoppiamento elettronico è molto sensibile alla distanza tra molecole vicine e alla sovrapposizione di orbitali molecolari di frontiera. La curvatura di un cristallo ben ordinata introduce ceppo e può modificare la posizione relativa delle molecole all'interno del cristallo. Questo può essere misurata con un singolo transistor a effetto di campo a base di cristallo. Un rapporto utilizzato cristalli singoli di rubrene su un substrato flessibile per studiare l'effetto dello spessore cristallo su ^di piegatura ^10. devizi con cristalli nanowire ftalocianina di rame disposti su un substrato piano hanno mostrato di avere una maggiore mobilità sul piegatore ^11. Tuttavia, le proprietà di un dispositivo piegata FET in direzioni diverse non sono stati esplorati.

La molecola 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) è un n-tipo di materiale semiconduttore ^12. Il cristallo di TCDAP ha un motivo imballaggio monoclina con spostata impilamento π-π tra molecole vicine lungo l'asse della cella elementare ad una lunghezza di cella di 3.911 Å. Il cristallo si sviluppa lungo questa direzione imballaggio per dare lunghi aghi. La mobilità campo massimo effetto tipo n misurata lungo questa direzione raggiunto 3,39 centimetri ² / V · sec. A differenza di molti cristalli organici che sono fragili e fragili, cristallo TCDAP è risultato essere altamente flessibile. In questo lavoro, abbiamo usato TCDAP come canale conduzione e preparato il transistor a singolo cristallo ad effetto di campo su un substrato flessibile of polietilene tereftalato (PET). La mobilità è stata misurata per il cristallo su un substrato piatto, con il piegato dispositivo verso il substrato flessibile (verso il basso) o piegato verso il / lato dielettrico di gate (verso l'alto). Dati IV sono stati analizzati in base ai cambiamenti nella distanza di sovrapposizione / accoppiamento tra il vicino molecole.

Protocollo

1. Preparazione di TCDAP ¹²

1. Sintetizzare TCDAP seguendo le procedure di letteratura ^13.
2. Purificare il prodotto TCDAP dal metodo sublimazione temperatura pendenza, con le tre zone di temperatura impostati a 340, 270 e 250 ° C rispettivamente, sotto una pressione di vuoto di 10 ^-6 Torr ^12,14.

2. crescere cristalli singoli di TCDAP utilizzo di un trasferimento del vapore fisico (PVT) Sistema ¹⁴

1. Mettere il campione TCDAP ad una estremità di una barca (5 cm di lunghezza) e caricare la barca in un tubo interno in vetro (lunghezza 15 cm e un diametro di 1,2 cm).
2. Caricare il tubo interno in un tubo più lungo di vetro (lunghezza 83 cm e 2 cm di diametro) e spingere a circa 17 cm dalla apertura.
3. Caricare il tubo di vetro lungo in un tubo di rame (60 cm di lunghezza e 2,5 cm di diametro) orizzontalmente fissi su una cremagliera; assicurarsi che la barca di TCDAP si trova nel centro della zona di riscaldamento definita da un ar nastro di riscaldamentoound il tubo di rame.
4. Spurgare il sistema PVT con gas elio con un flusso di 30 cc / min, e quindi attivare il trasformatore per riscaldare il nastro di riscaldamento a 310 ° C; mantenimento a tale temperatura per due giorni.
5. Dopo raffreddamento il sistema a temperatura ambiente, raccogliere i cristalli del tubo interno.

Fabrication 3. Dispositivo

1. Mettere di 200 micron di spessore, trasparente, pre-tagliati PET substrato (2 cm x 1 cm) in una fiala e pulirlo per sonicazione in soluzione detergente, acqua deionizzata, e acetone, in sequenza, per 30 minuti ciascuno. Essiccare il substrato mediante flusso di azoto.
2. Mettere nastro biadesivo sul substrato PET.
3. Esaminare i cristalli sotto uno stereomicroscopio. Selezionare buona qualità, i cristalli brillanti con una dimensione di ~ 5 millimetri x ~ 0,03 millimetri per la fabbricazione di dispositivi. Inserire un ago-come il cristallo TCDAP parallelo con la lunghezza del substrato PET sul nastro biadesivo e fissare saldamente.
4. Sotto uno stereomicroscopio, applicare watgrafite colloidale ER-based attraverso un ago microlitri siringa in una linea (alcuni mm) che si estende dalle due estremità del cristallo in qualità di sorgente e di scarico. Attendere circa 30 minuti per la grafite colloidale per asciugare e misurare la distanza tra i due punti di grafite sotto un microscopio ottico per determinare l'esatta lunghezza di canale (la tiene a 0,6-1 mm).
5. Utilizzare carbonio nastro conduttivo per risolvere il substrato PET su un vetrino microscopico. Posizionare il vetrino vicino all'estremità del tubo pirolisi della camera di deposizione.
6. Pesare 0,5 g del precursore del dielettrico isolante, [2.2] paracyclophane, e posizionarlo in prossimità dell'ingresso del tubo pirolisi.
7. Pompa il sistema ad un vuoto di 10 ^-2 Torr. Pre-riscaldare la zona di pirolisi vicino al centro del tubo fino ad una temperatura prefissata di 700 ° C e mantenere a tale temperatura.
8. Riscaldare il campione [2.2] paracyclophane a 150 ° C. I vapori del precursore passeranno attraverso la zona di pirolisiinvia i monomeri, che si condensa in prossimità dell'estremità del tubo pirolisi a polimerizzare.
9. Lasciate che la pirolisi / reazione di polimerizzazione proseguire per 2 ore.
10. Raffreddare il sistema e togliere i campioni dal tubo di pirolisi.
11. Determinare lo spessore dello strato di dielettrico deposto misurando l'altezza del gradino dello strato ed il substrato utilizzando un profilometro secondo le istruzioni del produttore.
12. Applicare isopropanolo a base di grafite colloidale attraverso un ago microlitri siringa in una linea sul retro dello strato dielettrico sopra il cristallo per fungere da elettrodo di gate.

4. Misurare la prestazioni del dispositivo

1. Utilizzare il bisturi per tagliare un foro attraverso il film dielettrico polimerico sopra dell'area elettrodo di source / drain per esporre gli elettrodi sotto collegamento.
2. Con l'aiuto di un supporto e morsetti, sulle sonde elettrodi dal parametro Analyzer in contatto congli elettrodi di source / drain / cancello. Registrare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello secondo le istruzioni del produttore.
   Nota: Qui, i potenziali di porta sono impostati da -60 V a 60 V a 15 V gradini.

5. Esperimenti Bending

1. Per misurare le proprietà allo stato di trazione, avvolgere il retro del substrato PET flessibile intorno cilindri di raggio diverso (14.0 mm 12,4 millimetri, 8.0 mm e 5,8 mm) e fissare il substrato PET al cilindro su quattro lati con nastro vuoto .
2. Collegare le sonde ai / scarico / cancello elettrodi di sorgente e misurare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello come descritto al punto 4.2.
3. Per misurare nello stato di compressione, avvolgere la metà del lato frontale del substrato PET intorno all'estremità di un cilindro, in modo tale che gli elettrodi di cristallo / source / drain / cancello si affacciano sul cilindro e tuttavia sono ancora esposti. Fissare il substrato PET sul cilindro con nastro vuoto (vedere Fig. 5 ).
4. Collegare le sonde ai / scarico / cancello elettrodi di sorgente e misurare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello come descritto al punto 4.2.
   NOTA: Un'illustrazione trasversale della struttura del dispositivo è mostrato in Fig. 1.

Risultati

Il singolo cristallo analisi XRD rivela che TCDAP è un sistema π estesa con molecole di imballaggio lungo l'asse. Fig. 2 illustra la configurazione di scansione in polvere XRD per un cristallo TCDAP. si osservano una serie di picchi taglienti, corrispondente solo alla famiglia di (0, k, ℓ) piani, confrontando con il modello di diffrazione della polvere del cristallo. Ciò implica che la struttura cristallina è orientato come mostrato in Fig. 3.<...

Discussione

In questo esperimento, una serie di parametri incide sulla misurazione successo della mobilità effetto di campo. In primo luogo, il singolo cristallo dovrebbe essere abbastanza grande per essere fabbricato in un dispositivo ad effetto di campo per la misura di proprietà. Il metodo di trasferimento fisica da fase vapore (PVT) è quella che permette ai cristalli più grandi per essere coltivate. Regolando la temperatura e la portata del gas di trasporto, cristalli di dimensioni fino a mezzo centimetro può essere ottenu...

Materiali

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