Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
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Protocol
1. Preparação de 12 TCDAP
- Sintetizar TCDAP seguindo procedimentos da literatura 13.
- 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
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- Depois de se arrefecer o sistema até à temperatura ambiente, recolher os cristais do tubo interior.
Fabrication 3. Dispositivo
- 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.
- Coloque fita dupla face no substrato PET.
- 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.
- 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).
- 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.
- Pesar 0,5 g do precursor do isolador dieléctrico, [2.2] paraciclofano, e colocá-la perto da entrada do tubo de pirólise.
- 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.
- 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.
- Deixe a reação de pirólise / polimerização continuar durante 2 horas.
- Arrefecer o sistema e retirar as amostras do tubo de pirólise.
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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 .
- 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.
- 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
- 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.
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Representative Results
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.
Antes de dobra, do tipo n plana TCDAP transistor de um único cristal deu correntes de saturação bem-resolvidos apenas para tensões de porta positivos (V GS) quando a tensão da porta foi variou de -60 V a 60 V em 15 V etapas. Isto sugere um comportamento do tipo n (Fig. 4a). A Fig. 4b mostra tanto o log (linha azul) e as parcelas linear (linha preta) da corrente de dreno como uma função de origem fuga de bias (V DS) em uma polarização da porta de 30 V.
A mobilidade dos electrões foi calculada a partir das características IV no regime linear de acordo com a equação,
ou no regime de saturação de acordo com a equação,
em que W representa a largura do canal, L é o comprimento do canal, m é a mobilidade do portador, C i é a capacitância por unidade de superfície do dieléctrico isolador, e V TH é a tensão de limiar, respectivamente.
Uma mobilidade média de 1,42 cm2 / V · seg euma razão de ligar / desligar de 10 3 -10 4 foram alcançados.
Para a experiência de flexão, dobragem das extremidades para baixo deve induzir um troço do canal de condução junto da interface de canal / dieléctrico de modo que este é definido como o estado "à tracção" (ver Fig. 5a), enquanto que flexão das extremidades para cima irá induzir uma compressão do canal de condução e é, assim, definida como o estado de "compressão" (ver Fig. 5b). As características IV do dispositivo no seu estado plano foram verificados após as operações de dobragem opostas ao estado curvo, com um raio R = 14,0 mm; o off-corrente praticamente não se alterou (ver Fig. 6). Isto serviu para indicar que a estrutura do dispositivo é restaurável e que o dispositivo não foi destruído mediante dobragem em sentidos diferentes. Em seguida, o IV foi medido no estado dobrado para o estado de tracção. Como mostrado na Fig. 7a </ Strong>, a corrente diminuiu com dobra, mais ainda, com mais de curvatura (raio menor). A mobilidade calculada foi representada graficamente como uma função do raio de dobragem. Como mostrado na Fig. 8a, há uma clara tendência de diminuição da mobilidade com o aumento da flexão. Assim, uma curvatura descendente a R = 14,0 milímetros causou uma redução da mobilidade por 6,25%. redução de mobilidade, em 12,5%, 25%, e 37,5% para os raios de curvatura a 12,4 mM, 8,0 milímetros, e 5,8 mm, respectivamente, foram observadas. Em contraste, quando o dispositivo foi dobrado para cima (estado de compressão) a R = 14,0 mM, foi observado um ligeiro deslocamento da curva linear IV, com um aumento de mudança de flexão aumentou (Fig. 7b). A mobilidade calculado com base na inclinação das curvas de crescimento de 5,5%, 12,8%, 15,2%, e 19,8% para raios dobrada de 14,0 milímetros 12,4 milímetro, 8,0 milímetros, e 5,8 mm, respectivamente (Fig. 8b).
Em um cristal dobrado, lados diferentes experimentar diferentes strens. No lado côncavo, as moléculas são comprimidas, e no lado convexo, as moléculas afastados, de maneira que, dependendo da curvatura. Assim, a dobragem para cima e para baixo de cristal em resultado da compressão e propagação das moléculas, respectivamente, na interface dieléctrico porta, dando um acoplamento electrónico crescente e decrescente, respectivamente.
Os portadores de carga em um transistor são conhecidos como estando dentro vários monocamadas de superfície dieléctrica, e a mobilidade é afectado principalmente pelas camadas imediatas ao lado da camada dieléctrica. No caso actual, o aumento da mobilidade no estado de compressão e mobilidade decrescente no estado de tracção deve ser mais provável devido à mudança do espaçamento intermolecular dentro do cristal. Os nossos resultados atestam ainda mais a importância de acoplamento electrónico, como uma função da distância intermolecular. Em um dispositivo de película fina com grãos policristalinos, onde ocristais não pode ser tão grande como foi utilizado nestas experiências, a distância entre os grãos pode também ser afectada pela flexão, assim gerando resultados semelhantes.
Figura 1. ilustração em corte transversal de topo-contacto de cristal único transistor de efeito de campo preparado sobre um substrato flexível. Os eléctrodos de fonte / dreno / Gate foram preparados a partir de grafite coloidal, enquanto que o isolador dieléctrico foi preparado a partir da pirólise do [2.2] precursor paraciclofano. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Pó padrão de difracção de raios-X do Si TCDAPcristal ngle colocado sobre o substrato de PET. Os picos foram indexados à família de (0, k, l) aviões. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Ilustrações esquemáticas da via de transporte de carga. O transporte de carga ao longo do eixo, com a (0,1,1) plano (plano vermelho) paralelo ao substrato (plano azul). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .
Figura 4. I características DS -V DS. (a) As características de saída com a tensão da porta variou de -60 V a 60 V em 15 V etapas e (b) as características de transferência, que mostram tanto o log (linha azul) e linear (linha preta) parcelas da drenar corrente em função de viés fonte-dreno (V DS) a uma polarização da porta de 30 V para um TCDAP cristal único transistor de efeito de campo (SCFET) sobre um substrato de PET antes de dobrar. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. ilustrações esquemáticas das experiências de flexão. (A) O estado de dobragem para cima, com a borda do substrato enrolado em torno de um cilindro quando a parte do dispositivo é exposto, e (b) a STA o curvamento para baixote, com o substrato enrolado em um cilindro. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. Comparação das características de transferência do dispositivo FET à base de cristal único TCDAP. Antes e depois de (a) o curvamento para baixo e (b) para cima, dobrando o primeiro tempo e da quarta vez, a uma curvatura R = 14,0 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Uma sobreposição das características de transferência de the TCDAP único dispositivo FET à base de cristal. estado curvado para (a) de curvar para baixo, e (b) para cima, dobrando em diferentes raios de curvatura (R = 14,0 mm, de R = 12,4 mm, de R = 8,0 mm e R = 5,8 mm) . por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. mobilidade Medido como uma função do raio de curvatura para o dispositivo à base de cristal único TCDAP. (A) o curvamento para baixo. (B) para cima flexão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
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, a escolha de um único cristal é importante. Um único cristal aparente pode conter pacotes de cristais, e flexão pode causar dissimulação dos feixes. Assim, prefere-se um cristal mais fino. Em terceiro lugar, de frente e verso da fita é necessário para manter o cristal em contacto constante com a superfície do substrato, como extensas experiências mostraram que, sem a tal fita, os contactos entre o cristal e da camada dieléctrica e / ou eléctrodo podem ser deslocados em múltiplas operações de dobragem, assim que a resistência de contato aumenta and medições de corrente instáveis ou irreproduzíveis são obtidos. Outra questão é em conseguir o estado de compressão, quando as extremidades de cristal são dobradas para cima. Ao envolver o substrato flexível em torno de um cilindro do diâmetro adequado, o cristal / fonte / dreno / portão tem que ser acessível pelas sondas. Isto é feito enrolando a borda do substrato de PET flexível em torno da extremidade do cilindro, de modo que a drenagem / área da fonte / portão estão expostos e acessíveis a sondas, mantendo o substrato curvo.
Em termos de análise de dados, reconhece-se que a flexão do substrato flexível pode causar uma mudança na espessura da camada dieléctrica e na capacitância. Embora esta possível alteração não é considerado no cálculo da mobilidade, é de notar que esta mudança deve ser independente da direcção da dobragem. No entanto, a tendência oposta em mudanças de mobilidade deve eliminar a possibilidade de mudanças de mobilidade sendo devido a tele capacitância mudança. A qualidade de um único cristal terão grande influência sobre a mobilidade medido. Para os dados mostrados na Figura 8, foi observada uma grande diferença na mobilidade para os dois cristais, presumivelmente devido à qualidade dos cristais escolhidos. No entanto, as tendências da mudança mobilidade mediante flexão, que é de grande preocupação neste trabalho, formam a base para as conclusões derivadas dos experimentos.
Em contraste com a tecnologia actual 11, em que um cristal é primeiro dobrada e, em seguida, colocado sobre um substrato plano para a medição, o método permite a medição da corrente no estado de tracção, bem como o estado de compressão. Na técnica anterior, apenas a passagem de corrente através do caminho mais curto, isto é, o estado de compressão, pode ser medido. Este método permite que uma variedade de propriedades eléctricas ao ser medido directamente sobre substratos flexíveis.
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Materials
| 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 |
References
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