Влияние на изгиб электрических характеристик Гибкая Organic монокристалл на основе полевых транзисторов

Резюме

Эта рукопись описывает процесс Гибка органического монокристалла на основе полевого транзистора для поддержания функционирования устройства для измерения электронных свойств. Полученные результаты свидетельствуют о том, что изгибающие вызывает изменения в молекулярном расстояния в кристалле и, следовательно, в скорости со скачкообразным изменением заряда, который играет важную роль в гибкой электроники.

Аннотация

Переноса заряда в органическом полупроводнике сильно зависит от упаковки молекул в кристалле, который влияет на электронную связь безмерно. Тем не менее, в мягкой электроники, в которых органические полупроводники играют важную роль, устройства будут перегибать неоднократно. Влияние на изгиб кристаллической упаковки и, следовательно, переноса заряда имеет решающее значение для эксплуатационных характеристик устройства. В этой рукописи, мы описываем протокол согнуть монокристалл 5,7,12,16-тетрахлор-6,13-diazapentacene (TCDAP) в конфигурации транзистора полевого и получить воспроизводимые характеристики IV при изгибе кристалла. Результаты показывают, что искривление полевой транзистор, подготовленный на гибкой подложке в результатах почти обратимых еще противоположных тенденций в подвижности зарядов, в зависимости от направления изгиба. Увеличение подвижности, когда устройство изгибается в сторону верхнего затвора / диэлектрического слоя (вверх, сжимающая состояния) и уменьшается, когда будетнт в направлении стороны кристалл / подложка (вниз, растягивающее состояние). Было также отмечено влияние изгиба кривизны, с большим изменением подвижности в результате более высокой кривизны изгиба. Предполагается, что межмолекулярные изменения π-π расстояние при изгибе, влияя тем самым на электронную муфту и последующего переноса носителей способности.

Введение

Мягкие электронные устройства, такие как датчики, дисплеи и носимой электроники, в настоящее время разрабатываются и более активно исследуются, и многие из них даже был запущен на рынке в последние годы ^1,2,3,4. Органические полупроводниковых материалов , играют важную роль в этих электронных устройств из - за присущих им преимуществ, в том числе низкая стоимость разработки, возможность быть приготовлены в виде раствора или при низких температурах, и, в частности, их гибкость по сравнению с неорганическими полупроводниками ^5,6. Один особое внимание для этой электроники является то, что они будут подвергаться частым изгибом. Гибка вносит напряжение в компонентах и ​​материалах внутри устройства. Стабильное и последовательное выполнение требуется, поскольку такие устройства согнуты. Транзисторы являются жизненно важным компонентом в большинстве этих электроники, и их производительность при изгибе представляет интерес. Ряд исследований рассмотрел этот вопрос производительности при изгибе органического тхин пленки транзисторов ^7,8. В то время как изменения проводимости при сгибании может быть связано с изменением расстояния между зерна в поликристаллической тонкой пленки, более фундаментальный вопрос, чтобы спросить, может ли проводимость изменяться в пределах одного кристалла при изгибе. Хорошо Принято считать , что перенос заряда между органическими молекулами сильно зависит от электронной связи между молекулами и энергии , участвующих в реорганизации взаимопревращения между нейтральных и заряженных состояний ^9. Электронная муфта очень чувствительна к расстоянию между соседними молекулами и перекрытия граничных молекулярных орбиталей. Изгиб хорошо упорядоченного кристалла вносит напряжение и может изменить относительное положение молекул внутри кристалла. Это может быть проверено с помощью одного кристалла на основе полевого транзистора. В одном из отчетов используется монокристаллы рубрена на гибкой подложке для изучения влияния толщины кристалла при изгибе ^10. Deдемонстрировались с пороками фталоцианина меди кристаллов нанопроволок , приготовленных на плоской подложке , чтобы иметь более высокую подвижность при изгибе ^11. Однако свойства для устройства с согнутой FET в разных направлениях не были изучены.

Молекула 5,7,12,16-тетрахлор-6,13-diazapentacene (TCDAP) представляет собой полупроводниковый материал ¹² п-типа. Кристалл TCDAP имеет моноклинную упаковочный мотив со сдвинутыми π-л укладкой между соседними молекулами вдоль оси элементарной ячейки при длине ячейки 3.911 Å. Кристалл растет вдоль этого направления упаковки, чтобы дать длинные иглы. Максимальное п-типа полевой подвижности измеряется вдоль этого направления достигла 3,39 см ² / В · сек. В отличие от многих органических кристаллов, которые являются хрупкими и ломкими, TCDAP кристалл оказывается очень гибким. В этой работе мы использовали TCDAP в качестве проводящего канала и подготовили монокристаллического полевой транзистор на гибкой подложке OF полиэтилентерефталат (ПЭТ). Мобильность была измерена для кристалла на плоской подложке, с согнутой устройства по направлению к гибкой подложке (вниз) или изогнут в сторону ворот / диэлектрической стороне (снизу вверх). IV Данные анализировались на основе изменений в расстоянии штабелирование / соединение между соседними молекулы.

протокол

1. Получение TCDAP ¹²

1. Обобщить TCDAP следуя процедурам литературы ^13.
2. Очищают продукт TCDAP методом сублимации градиента температур, с тремя температурными зонами , установленным на 340, 270 и 250 ° С, соответственно, под вакуумным давлением 10 ^-6 Торр ^12,14.

2. Вырастить монокристаллы TCDAP Использование переноса из паровой фазы (PVT) системы ¹⁴

1. Поместите образец TCDAP на одном конце лодки (длиной 5 см) и загружают лодку в стеклянную внутреннюю трубку (длиной 15 см с диаметром 1,2 см).
2. Загрузите внутреннюю трубку в более длинную стеклянную трубку (длинной 83 см и 2 см в диаметре) и нажмите на приблизительно 17 см от проема.
3. Загрузите длинную стеклянную трубку в медной трубке (60 см в длину и 2,5 см в диаметре) горизонтально закреплен на стойке; убедитесь, что лодка из TCDAP находится в центре зоны нагрева, определенного нагрева полосы аркруглый вырез медной трубки.
4. Продувку системы PVT с газообразным гелием при скорости потока 30 см / мин, а затем включите трансформатор для разогрева нагревательного диапазона до 310 ° C; выдерживают при этой температуре в течение двух дней.
5. После охлаждения системы до комнатной температуры, собирают кристаллы от внутренней трубки.

Изготовление 3. Устройство

1. Поместите 200 мкм толщиной, прозрачный, предварительно вырезанное ПЭТ подложку, (2 см х 1 см) во флакон и очистить его с помощью ультразвука в растворе моющего средства, деионизированной водой и ацетоном, последовательно, в течение 30 минут каждый. Сушат на подложку потока азота.
2. Поместите двухстороннюю ленту на подложке ПЭТ.
3. Изучение кристаллов под стереомикроскопа. Выберите хорошее качество, блестящие кристаллы с размером ~ 5 мм х ~ 0,03 мм для изготовления устройства. Поместите игольчатую TCDAP кристалл параллельно с длиной ПЭТ подложки на двусторонней клейкой ленты и закрепите его надежно.
4. Под стереомикроскопа, применяются ватэр на основе коллоидного графита через микролитр иглу шприца в линию (несколько миллиметров), который проходит от двух концов кристалла, действующего в качестве истока и стока. Подождите около 30 мин для коллоидного графита, чтобы высушить и измерить расстояние между двумя графитовыми пятен под оптическим микроскопом, чтобы определить точную длину канала (держать его на 0,6-1 мм).
5. Используйте углерода проводящую ленту, чтобы зафиксировать подложку ПЭТ на предметное стекло. Поместите слайд ближе к концу пиролизной трубки камеры осаждения.
6. Взвешивают 0,5 г предшественника диэлектрического изолятора, [2.2] парациклофана, и поместить его вблизи входа трубы пиролиз.
7. Откачка систему в вакууме 10 ^-2 мм рт. Предварительно нагреть зону пиролиза вблизи центра трубки вплоть до предварительно установленной температуры, равной 700 ° С и выдерживают при этой температуре.
8. Нагрейте [2,2] парациклофана образца до 150 ° C. Пары предшественника будет проходить через зону пиролизадать мономеры, которые конденсируются вблизи конца трубки пиролизного к полимеризоваться.
9. Пусть реакции пиролиза / полимеризации продолжают в течение 2 часов.
10. Охладить систему и вынуть образцы из трубки для пиролиза.
11. Определить толщину наплавленного слоя диэлектрика путем измерения шага высоты слоя и подложки с использованием профилометра в соответствии с инструкциями изготовителя.
12. Применение изопропиловым на основе коллоидного графита через микролитр иглу шприца в линию на обратной стороне диэлектрического слоя над кристаллом, чтобы служить в качестве электрода затвора.

4. Измерьте производительность устройства

1. Используйте скальпель, чтобы вырезать отверстие через полимерную диэлектрическую пленку над областью электрода исток / сток, чтобы разоблачить электроды под для подключения.
2. С помощью подставки и хомутов, приносят электродные зонды из анализатора параметров в контакт сИсточник / сливные / электроды затвора. Запись IV характеристики при различных потенциалах затвора в соответствии с инструкциями изготовителя.
   Примечание: Здесь затворные потенциалы устанавливаются от -60 В до 60 В с шагом 15 V.

5. Гибочные эксперименты

1. Для измерения свойств в состоянии при растяжении, завернуть тыльную гибкой подложки ПЭТ вокруг цилиндров разных радиусов (14,0 мм, 12,4 мм, 8,0 мм и 5,8 мм) и фиксируют ПЭТ подложку, в цилиндр с четырех сторон с вакуумной лентой ,
2. Подключение зондов к исток / сток / электродов затвора и измерять характеристики IV при различных потенциалах затвора, как описано в разделе 4.2.
3. Для измерения в состоянии сжатия, завернуть половина передней стороне ПЭТ подложки вокруг конца цилиндра, таким образом, что кристалл / исток / сток / электроды затвора выходят из цилиндра, и все же по-прежнему подвержены. Закрепить подложку из ПЭТ на цилиндре с вакуумной лентой (см. 5 ).
4. Подключение зондов к исток / сток / электродов затвора и измерять характеристики IV при различных потенциалах затвора, как описано в разделе 4.2.
   Примечание: изображен вид в поперечном разрезе конструкции устройства показан на рис. 1.

Результаты

Единственный анализ кристаллической дифракции рентгеновских лучей показывает , что TCDAP представляет собой расширенную систему π с молекулами упаковки вдоль оси. Рис. 2 показана схема сканирования с помощью порошковой рентгеновской дифракции для TCDAP кристал?...

Обсуждение

В этом эксперименте ряд параметров влияет на успешное измерение подвижности полевом. Во-первых, монокристалл должен быть достаточно большим, чтобы быть изготовлены в полевом устройстве для измерения свойств. Способ физического переноса пара (PVT) является тот, который позволяет более к...

Материалы

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