フレキシブル有機単結晶ベースの電界効果トランジスタの電気的特性に曲げの影響

要約

この原稿は、電子的特性測定のための機能デバイスを維持するために、有機単結晶ベースの電界効果トランジスタの曲げ方法を記載しています。結果は、曲げが結晶中のため、フレキシブルエレクトロニクスのに重要である充電ホッピングレート、中の分子間隔の変化を引き起こすことを示唆しています。

要約

有機半導体における電荷輸送は非常に電子的結合に影響を与え、結晶中の分子充填、に非常に依存しています。しかし、有機半導体は重要な役割を果たしているソフトエレクトロニクス、で、デバイスが曲げられるだろうか繰り返し折り畳まれました。結晶パッキングに曲げ、したがって、電荷輸送の効果は、デバイスの性能に不可欠です。この原稿では、電界効果トランジスタ構成で5,7,12,16テトラクロロ-6,13-​​ diazapentacene（TCDAP）の単結晶を曲げるために、結晶を曲げ時に再現性のIV特性を得るためのプロトコルを記述します。結果は、電荷移動度がほぼ可逆まだ反対の傾向におけるフレキシブル基板結果に調製した電界効果トランジスタを曲げる曲げ方向に依存することを示します。デバイスはトップゲート/誘電体層（上向き、圧縮状態）に向かって折り曲げられてなるとき低下するモビリティ増加ntの結晶/基板側（下方、引張状態）に向かいます。曲率の​​曲げの効果は、より高い曲げ曲率に起因する高い移動度の変化で観察されました。それは、それによって電子的結合およびその後のキャリア輸送能に影響を与える曲げ時に分子間π-πの距離が変化することが示唆されました。

概要

このようなセンサ、ディスプレイ、ウェアラブルエレクトロニクスなどのソフトの電子デバイスは、現在設計されていると、より積極的に研究し、多くのも近年^1,2,3,4に市場で発売されていますされています。有機半導体材料は無機半導体^5,6と比較して、低開発費、溶液中でまたは低温で製造することができる能力、及び、特に、それらの柔軟性を含む、それらの固有の利点にこれらの電子デバイスにおいて重要な役割を演じます。これらの電子機器のための一つの特別な配慮は、彼らが頻繁な曲げにさらされることです。曲げは、コンポーネントやデバイス内の材料に歪みを導入しています。このようなデバイスが曲がっているように安定しており、安定した性能が要求されます。トランジスタは、これらの電子機器のほとんどにおいて重要な要素であり、曲げの下での性能が重要です。多くの研究が有機トンを折り曲げて、このパフォーマンスの問題に対処していますヒンフィルムは^{7,8トランジスタ} 。曲げ時のコンダクタンスの変化は、多結晶薄膜中の粒子間の間隔の変化に起因することができるが、聞いて、より根本的な問題は、コンダクタンスは、曲げ時に単結晶内で変更できるかどうかです。有機分子間の電荷輸送が分子と中性および荷電状態⁹との間の相互変換に関与再編エネルギーと電子結合に強く依存することが認められています。電子結合は、隣接する分子間のフロンティア分子軌道の重なりまでの距離に非常に敏感です。秩序だった結晶の曲げひずみを導入し、結晶内の分子の相対的な位置を変更することができます。これは、単結晶ベースの電界効果トランジスタを用いて試験することができます。一つのレポートには^、10を曲げる際に、結晶の厚さの効果を研究するために、フレキシブル基板上のルブレンの単結晶を用います。デ平坦な基板上に作製した銅フタロシアニンナノワイヤー結晶で悪徳^11を曲げる際に、より高い移動度を有することが示されました。しかし、異なる方向に曲げられたFETデバイスのプロパティが検討されていません。

分子5,7,12,16テトラクロロ-6,13- diazapentacene（TCDAP）は、n型半導体材料¹²です。 TCDAPの結晶が持つ単斜パッキングモチーフは3.911Åのセル長で単位セルの軸に沿って隣接する分子間のπ-πスタッキングをシフトしています。結晶は、長い針を与えるために、このパッキング方向に沿って成長します。この方向に沿って測定された最大のn型の電界効果移動度は、CM ² / V・secで3.39に達しました。脆くて壊れやすい多くの有機結晶とは異なり、TCDAP結晶は非常に柔軟であることが判明しました。この研究では、導電チャネルとしてTCDAPを使用し、フレキシブル基板のO上に単結晶電界効果トランジスタを用意しFポリエチレンテレフタレート（PET）。モビリティは、フレキシブル基板（下向き）またはゲート/誘電側に向かって曲がった（上方）に向かって、デバイスを曲げて、平坦な基板上に結晶を測定した。IVデータは、隣接間のスタッキング/結合距離の変化に基づいて分析しました分子。

プロトコル

TCDAP ¹²の調製

1. 文献の手順^13に従うことによってTCDAPを合成します。
2. 10 ^-6トル^12,14の減圧下で、それぞれ、3つの温度340に設定されたゾーン、270、250°Cで、温度勾配昇華法によりTCDAP生成物を精製します。

2. TCDAP物理的気相成長転送を使用して（PVT）システム¹⁴の単結晶を成長させます

1. （1.2センチ、直径と長さ15cm）（長さ5cm）ボートの一端にTCDAPサンプルを入れて、ガラスインナーチューブの中にボートをロードします。
2. 長いガラス管（83センチメートル長いと直径2センチ）にインナーチューブをロードし、開口部から約17センチメートルで、それを押してください。
3. 水平にラックに固定された銅管（長さ60cm、直径2.5センチ）に長いガラス管をロードします。 TCDAPのボートを加熱帯域ARによって定義された加熱領域の中央に位置していることを確認します銅管をound。
4. 30 CC /分の流量でヘリウムガスとPVTシステムをパージし、次いで310℃に加熱帯を加熱するために変圧器の電源をオンに2日間、この温度で維持します。
5. 室温にシステムを冷却した後、インナーチューブから結晶を集めます。

3.デバイスの製造

1. 30分間ずつ、順番に、バイアルに200μmの厚さの、透明な、プレカットPET基板（×1 cm 2のセンチ）入れて、洗剤溶液、脱イオン水、およびアセトン中で超音波処理することにより、それをきれいに。窒素流により基板を乾燥させます。
2. PET基板上に両面テープを配置します。
3. 実体顕微鏡下で結晶を調べます。デバイス製造のための〜5ミリメートルのx〜0.03ミリメートルの寸法を有する結晶を輝く、良い品質を選択します。両面テープ上のPET基板の長さの針状TCDAP結晶を平行に配置し、しっかりと固定します。
4. 実体顕微鏡下では、ワットを適用ソース及びドレインとして作用する結晶の両端から延びる線（数mm）におけるマイクロリットルの注射針を介してERベースコロイドグラファイト。乾燥し（0.6〜1ミリメートルでそれを保つため）正確なチャネル長を決定するために、光学顕微鏡下で2グラファイトスポット間の距離を測定するためのコロイド黒鉛で約30分間待ちます。
5. 顕微鏡スライド上のPET基板を固定するために、炭素導電性テープを使用してください。堆積チャンバの熱分解管の端部の近くにスライドを置きます。
6. 誘電絶縁体の前駆体の0.5グラム、[2.2]パラシクロファンを計量し、熱分解管の入口の近くに配置します。
7. 10 ^-2 Torrの真空にシステムをポンプダウン。 700°Cの予め設定された温度にチューブを上の中央付近熱分解ゾーンを予め加熱し、この温度で維持します。
8. 150℃に[2.2]パラシクロファンのサンプルを加熱。前駆体の蒸気は熱分解ゾーンを通過することになります重合する熱分解チューブの端部の近くに凝縮したモノマーを得ました。
9. 熱分解/重合反応を2時間続けましょう。
10. システムを冷却し、熱分解管からサンプルを取り出します。
11. 製造者の指示に従ってプロフィルメータを用いて膜と基板との段差を測定することによって、堆積された誘電体層の厚さを決定します。
12. ゲート電極として機能する結晶上記誘電体層の背面にあるラインのマイクロリットルの注射針を通してイソプロパノールベースのコロイド黒鉛を適用します。

4.デバイスの性能を測定

1. 接続用の下に電極を露出させるために、ソース/ドレイン電極の面積以上の高分子誘電体膜に穴をカットするメスを使用してください。
2. スタンドとクランプの助けを借りて、と接触するようにパラメータアナライザから電極プローブをもたらしますソース/ドレイン/ゲート電極。製造業者の説明書に従って、異なるゲート電位におけるI-V特性を記録します。
   注：ここでは、ゲート電位は、15 Vステップで-60 Vから60 Vに設定されています。

5.曲げ実験

1. 異なる半径（14.0ミリメートル、12.4ミリメートル、8.0ミリメートル、および5.8ミリメートル）の円柱周りの柔軟なPET基板の裏面をラップ、引張状態での特性を測定し、真空テープで四方をシリンダーにPET基板を修正するには。
2. ソース/ドレイン/ゲート電極にプローブを接続し、4.2で説明したように異なるゲート電位でのIV特性を測定します。
3. 圧縮の状態で測定するために、シリンダーの端の周りにPET基板の表面側の半分をラップ、結晶/ソース/ドレイン/ゲート電極がまだシリンダーに直面しており、そのようなことは、まだ公開されています。 図を参照してください（真空テープでシリンダー上のPET基板を固定してください。5 ）。
4. ソース/ドレイン/ゲート電極にプローブを接続し、4.2で説明したように異なるゲート電位でのIV特性を測定します。
   注：デバイス構造の断面図を図4に示します。 1。

結果

単結晶XRD分析はTCDAP軸に沿ったパッキング分子と拡張π系であることがわかる。 図。 2は TCDAP結晶の粉末XRDにより走査パターンを示しています。鋭いピークの一連の結晶の粉末回折パターンと比較することによって、（0、K、ℓ）面のファミリーにのみ対応し、観測されます。これは、 図2に示すように 、結晶構造が配向されてい?...

ディスカッション

この実験では、パラメータの数は、電界効果移動度の正常な測定に影響を与えます。まず、単結晶特性測定のための電界効果デバイスに加工されるのに十分大きくなければなりません。物理気相移送（PVT）メソッドは、大きな結晶を成長させることを可能にするものです。温度およびキャリアガスの流量を調整することにより、半センチメートルまでのサイズの結晶を得ることができます。?...

資料

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