Efeito da flexão no Características elétricas dos transistores de efeito de campo baseados em cristal flexível Orgânico Um único

Resumo

Este manuscrito descreve o processo de dobra de um único transistor de efeito de campo baseados em cristal orgânico para manter um dispositivo de funcionamento para a medição de propriedades eletrônico. Os resultados sugerem que provoca alterações da flexão no espaçamento molecular no cristal e, portanto, da taxa de saltos de carga, que é importante em electrónica flexíveis.

Resumo

O transporte de carga em um semicondutor orgânico depende muito da embalagem molecular no cristal, que influencia o acoplamento eletrônico imensamente. No entanto, em electrónica moles, em que os semicondutores orgânicos desempenham um papel crítico, os dispositivos irão ser dobrada ou dobrada repetidamente. O efeito de flexão no empacotamento cristalino e, assim, o transporte de carga é crucial para o desempenho do dispositivo. Neste artigo, nós descrevemos o protocolo para dobrar um único cristal de 5,7,12,16-tetra-cloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) na configuração do transistor de efeito de campo e obter características reproduzíveis IV mediante flexão do cristal. Os resultados mostram que a flexão de um transistor de efeito de campo preparadas no substrato flexível resultados em tendências opostas ainda quase reversíveis na mobilidade de carga, dependendo do sentido de dobragem. A mobilidade aumenta quando o dispositivo é dobrada em direção a camada de portão superior / dielétrica (para cima, estado de compressão) e diminui quando sent para o lado do cristal / substrato (para baixo, estado de tensão). Também foi observado o efeito de flexão curvatura, com mudança maior mobilidade resultante da maior curvatura dobra. Sugere-se que os intermoleculares mudanças π-π curso, a seu dobra, influenciando assim o acoplamento eletrônico ea subsequente capacidade de transporte do transportador.

Introdução

Dispositivos electrónicos macios, tais como sensores, displays e produtos eletrônicos portáteis, estão actualmente a ser concebido e pesquisado de forma mais activa, e muitos sequer foram lançados no mercado nos últimos anos ^1,2,3,4. Materiais semicondutores orgânicos desempenham um papel importante nestes dispositivos electrónicos devido às suas vantagens inerentes, incluindo o desenvolvimento de baixo custo, a capacidade de ser preparados em solução ou em baixas temperaturas, e, em particular, a sua flexibilidade quando comparado com os semicondutores inorgânicos ^5,6. Uma consideração especial para estes aparelhos é que eles vão ser submetidos a flexão frequente. Bending introduz tensão nos componentes e os materiais dentro do dispositivo. Um desempenho estável e consistente é necessário que tais dispositivos são dobrados. Transistores são um componente vital na maioria desses eletrônica, e seu desempenho em flexão é de interesse. Uma série de estudos têm abordado este problema de desempenho, dobrando orgânica tfilme hin transistores ^7,8. Embora as alterações na condutância sobre flexão pode ser atribuída às mudanças no espaçamento entre os grãos de uma fina película policristalina, uma questão mais fundamental a fazer é se a condutância pode mudar dentro de um único cristal mediante flexão. É bem aceito que o transporte de carga entre moléculas orgânicas depende fortemente do acoplamento eletrônico entre as moléculas ea energia de reorganização envolvidos na interconversão entre os estados neutras e carregadas ^9. acoplamento eletrônico é altamente sensível à distância entre moléculas vizinhas e à sobreposição de orbitais moleculares de fronteira. A flexão de um cristal bem ordenado e introduz estirpe pode alterar a posição relativa das moléculas dentro do cristal. Isto pode ser testado com um único transistor de efeito de campo com base em cristal. Um relatório usou um único cristal de rubreno sobre um substrato flexível para estudar o efeito da espessura do cristal em cima dobra ^10. devícios com cristais de nanofios de cobre ftalocianina preparados em um substrato plano foram mostrados para ter uma maior mobilidade em cima dobra ^11. No entanto, as propriedades para uma inclinação dispositivo FET em diferentes direções não foram exploradas.

A molécula de 5,7,12,16-tetra-cloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) é um material semicondutor do tipo n ^12. O cristal de TCDAP tem um motivo de embalagem monoclínica com empilhamento deslocado π-π entre moléculas vizinhas ao longo do eixo da unidade de célula a um comprimento de célula de 3,911 Â. O cristal cresce ao longo deste sentido de embalagem para dar origem a agulhas longas. O valor máximo do tipo n mobilidade de efeito de campo medido ao longo desta direção chegou a 3,39 ^cm2 / V · sec. Ao contrário de muitos cristais orgânicos que são quebradiços e frágeis, TCDAP cristal se encontra a ser altamente flexível. Neste trabalho, foram utilizados TCDAP como o canal de condução e preparou o cristal único transistor de efeito de campo em um substrato flexível of tereftalato de polietileno (PET). Mobilidade foi medido para o cristal sobre um substrato plano, com a inclinação do dispositivo para o substrato flexível (para baixo) ou dobrados em direção ao portão / side dielétrica (para cima). IV Os dados foram analisados com base em alterações na distância de empilhamento / acoplamento entre os vizinhos moléculas.

Protocolo

1. Preparação de ¹² TCDAP

1. Sintetizar TCDAP seguindo procedimentos da literatura ^13.
2. Purifica-se o produto TCDAP por sublimação o método de gradiente de temperatura, com as três zonas de temperatura para 340, 270, e 250 ° C, respectivamente, sob uma pressão de vácuo de 10 Torr ^{-6 12,14.}

2. Crescer um único cristal de TCDAP Usando uma transferência física de vapor (PVT) do sistema ¹⁴

1. Colocar a amostra TCDAP numa extremidade de um barco (5 cm de comprimento) e carregar o barco para um tubo de vidro interior (15 cm de comprimento com um diâmetro de 1,2 cm).
2. Carregar o tubo interno dentro de um tubo mais longo de vidro (83 cm de comprimento e 2 cm de diâmetro) e empurrá-lo para cerca de 17 cm a partir da abertura.
3. Carregar o tubo de vidro longa dentro de um tubo de cobre (60 cm de comprimento e 2,5 cm de diâmetro) fixa horizontalmente numa cremalheira; se de que o barco de TCDAP está localizado no meio da área de aquecimento definidos por uma banda de aquecimento ARound o tubo de cobre.
4. Purgar o sistema PVT com gás hélio a uma taxa de fluxo de 30 cc / min, e em seguida, ligue o transformador para aquecer a banda de aquecimento a 310 ° C; mantida a esta temperatura durante dois dias.
5. Depois de se arrefecer o sistema até à temperatura ambiente, recolher os cristais do tubo interior.

Fabrication 3. Dispositivo

1. Coloque um 200 um de espessura, transparente, pré-cortado substrato de PET (2 cm x 1 cm) para um recipiente e limpá-lo por sonicação numa solução de detergente, água desionizada, e acetona, em sequência, durante 30 min cada. Seca-se o substrato por meio de um fluxo de azoto.
2. Coloque fita dupla face no substrato PET.
3. Examine os cristais sob um microscópio estereoscópico. Escolha de boa qualidade, brilhando cristais com uma dimensão de ~ 5 mm x ~ 0,03 mm para fabricação do dispositivo. Coloque uma forma de agulha TCDAP cristal paralelo com o comprimento do substrato de PET na fita dupla face e corrigi-lo de forma segura.
4. Sob um microscópio estereoscópico, aplicar watbaseada em er grafite coloidal através de uma agulha de seringa de microlitro de uma linha (alguns mm), que se estende a partir das duas extremidades do cristal na qualidade de fonte e o dreno. Espera durante cerca de 30 min para a grafite coloidal para secar e medir a distância entre os dois pontos de grafite sob um microscópio óptico para determinar o comprimento do canal exacta (mantê-lo em 0,6-1 mm).
5. Use fita condutora de carbono para fixar o substrato de PET em uma lâmina de microscópio. Colocar a lâmina perto da extremidade do tubo de pirólise da câmara de deposição.
6. Pesar 0,5 g do precursor do isolador dieléctrico, [2.2] paraciclofano, e colocá-la perto da entrada do tubo de pirólise.
7. Bombear o sistema a um vácuo de 10 ^-2 Torr. Pré-aquecer a zona de pirólise perto do centro do tubo até uma temperatura pré-ajustada de 700 ° C e mantida a esta temperatura.
8. Aquecer a amostra [2.2] paraciclofano a 150 ° C. Os vapores do precursor irá passar através da zona de pirólisepara dar os monómeros, que irá condensar perto da extremidade do tubo de pirólise para polimerizar.
9. Deixe a reação de pirólise / polimerização continuar durante 2 horas.
10. Arrefecer o sistema e retirar as amostras do tubo de pirólise.
11. Determinar a espessura da camada dieléctrica depositado por medição da altura do passo da camada e do substrato utilizando um perfilómetro de acordo com as instruções do fabricante.
12. Aplicar a grafite coloidal à base de isopropanol por meio de uma agulha de seringa de microlitro de uma linha na parte de trás da camada de dieléctrico acima do cristal para servir como o eléctrodo de porta.

4. Meça o desempenho do dispositivo

1. Usar o bisturi para cortar um furo através da película polimérica dieléctrica acima da área do eléctrodo a fonte / dreno, de modo a expor os eléctrodos por baixo para a ligação.
2. Com a ajuda de um suporte e grampos, trazer as sondas de eléctrodo a partir do parâmetro Analisador em contacto comos eléctrodos de fonte / dreno / portão. Grave as características IV em diferentes potenciais de porta de acordo com as instruções do fabricante.
   Nota: Aqui, os potenciais de porta são definidos de -60 V a 60 V a 15 V etapas.

5. Experimentos Bending

1. Para medir as propriedades no estado de tensão, enrole a parte traseira do substrato de PET flexível à volta dos cilindros de raios diferentes (14,0 milímetros, 12,4 milímetros, 8,0 mm e 5,8 mm) e fixar o substrato de PET para o cilindro em quatro lados com fita de vácuo .
2. Ligue as sondas para os eléctrodos de fonte / dreno / portão e medir as características IV em diferentes potenciais de porta conforme descrito no ponto 4.2.
3. Para medir no estado de compressão, embrulhar a metade do lado da frente do substrato de PET em torno da extremidade de um cilindro, de tal modo que os eléctrodos de cristal / fonte / dreno / Gate estão de frente para o cilindro e ainda estão expostos. Fixar o substrato de PET no cilindro com a fita de vácuo (ver Fig. 5 ).
4. Ligue as sondas para os eléctrodos de fonte / dreno / portão e medir as características IV em diferentes potenciais de porta conforme descrito no ponto 4.2.
   NOTA: uma ilustração em corte transversal da estrutura do dispositivo é mostrada na Fig. 1.

Resultados

A análise de XRD de cristal único revela que TCDAP é um sistema π estendida com moléculas de embalagem ao longo do eixo. Fig. 2 mostra o padrão de varredura por DRX pó para um cristal TCDAP. Uma série de picos agudos são observados, o que corresponde apenas à família de (0, k, ℓ) planos, por comparação com o padrão de difracção de pó do cristal. Isto implicaria que a estrutura do cristal é orientado como se mostra na fig. 3. ...

Discussão

Nesta experiência, um número de parâmetros afectam a medição bem sucedida da mobilidade de efeito de campo. Em primeiro lugar, o cristal único deve ser grande o suficiente para ser fabricada num dispositivo de efeito de campo para a medição de propriedades. O método de transferência de vapor físico (PVT) é o que permite que os cristais maiores a serem cultivadas. Ao ajustar a temperatura e a taxa de fluxo do gás portador, cristais de tamanhos até metade de um centímetro pode ser obtido. Em segundo lugar, ...

Materiais

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