弯曲对基于柔性有机单晶场效应晶体管电学特性的影响

本研究的总体目标是展示基底弯曲如何影响制备于该基底上的场效应晶体管的性能。该方法有助于回答柔性电子器件领域中的关键问题，包括基底弯曲将如何影响使用有机晶体管的器件性能。

该技术的主要优势在于能够获得在不同弯曲方向上的大量定量数据，以及有关有机晶体中分子堆积排列的信息。按照文本方案中的描述制备TCDAP样品。

将样品置于舟的一端，然后将舟装入玻璃内管中。将玻璃内管装入较长的玻璃管中，并从管口推入约17厘米。接着，将长玻璃管水平装入固定在支架上的铜管中。

确保TCDAP的舟位于加热区域中央，该区域由铜管周围的加热带界定。以每分钟30立方厘米的流速用氦气吹扫PBT系统。然后，打开变压器，将加热带加热至310摄氏度。

在此温度下保持两天。将系统冷却至室温后，从内管中收集晶体。在预先清洗并预先切割的200微米厚透明聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上粘贴双面胶带。

在体视显微镜下观察晶体。选择质量良好、具有光泽的晶体，尺寸约为5毫米×0.03毫米，用于器件制备。将类似TCDAP的晶体用双面胶带平行于PET基底的长度方向放置，并牢固固定。

在体视显微镜下，使用微升注射器针头将水性胶态石墨沿晶体两端呈线状涂布，分别作为源极和漏极。静置约30分钟，待胶态石墨干燥后，在光学显微镜下测量两个石墨斑点之间的距离，以确定精确的沟道长度。使用碳导电胶带将PET基底固定在显微镜载玻片上。

将载玻片放置在沉积室的麻痹管末端附近。称取0.5克电介质绝缘体前驱体对二甲苯（Paracyclophane），并将其置于麻痹管入口附近。将系统抽真空至10⁻²托（torr）。

将管中心附近的裂解区预热至700摄氏度的设定温度，并保持该温度。将对环芳烷样品加热至150摄氏度。前驱体的蒸气将通过裂解区，生成单体。

这将在麻痹管末端附近冷凝并聚合形成聚合物涂层。麻痹聚合反应持续两小时后，冷却系统并从麻痹管中取出样品。按照制造商的说明，使用轮廓仪测量基底上聚合物层的台阶高度，以确定沉积的聚合物介电层的厚度。

使用微量注射器针头将异丙醇基胶态石墨涂覆在介电层背面、晶体上方，形成一条线，作为栅极电极。用手术刀在源极-漏极电极区域上方的聚合物介电薄膜上切割出一个孔，以暴露下方的电极，便于连接。借助支架夹具，将参数分析仪的电极探针与源极、漏极和栅极电极接触。

根据制造商的说明，在不同的栅极电位下记录 IV 特性。为了测量绒毛状态下的性能，将柔性 PET 基底的背面缠绕在不同半径的圆柱体上，并用真空胶带在四个侧面将 PET 基底固定在圆柱体上。连接探针，使源极、漏极和栅极电极连接，然后像之前一样在不同的栅极电位下测量 IV 特性。

为了测量压缩状态下的性能，将 PET 基底前侧的一半包裹在圆柱体末端，使晶体管的源极、漏极和栅极电极朝向圆柱体，但仍保持暴露状态。使用真空胶带将 PET 基底固定在圆柱体上。最后，将探针连接至源极、漏极和栅极电极，并像之前一样在不同栅极电位下测量其电流-电压特性。

展示了在柔性基底上制备的顶接触单晶场效应晶体管。除弯曲实验的示意图外，还展示了向上弯曲（即压缩状态）以及向下弯曲（即拉伸状态）的情况。

此处展示了TCDAP单晶基场效应晶体管器件在向下弯曲状态下的转移特性叠加图。同时展示了该器件在向上弯曲状态下的转移特性叠加图。这些曲线图显示了TCDAP单晶基器件在向下弯曲和向上弯曲条件下，测得的迁移率随弯曲半径的变化关系。

单晶器件的场效应迁移率随弯曲方向的不同而呈现相反的变化趋势，这可能与晶体中分子堆积排列的改变有关。本实验旨在研究器件基底弯曲条件下有机晶体管器件性能的变化。

本实验采用有机导体的单晶作为沟道材料。为消除方法上的复杂性，选择合适尺寸和质量的单晶至关重要。

使用双面胶带对于保持有机晶体与介电层之间持续接触至关重要，以确保获得可重复的实验结果。当将器件末端向上弯曲，通过缠绕圆柱体实现压缩状态时，应将器件缠绕在圆柱体的末端，使器件的一半暴露在空气中。这样可允许参数调节并实现与电极的接触。

结果表明，在压缩状态下，载流子迁移率随弯曲曲率的增大而升高；而在拉伸状态下，载流子迁移率则随弯曲曲率的增大而降低。根据电子能带结构变化与迁移率之间的关联，这一现象可合理解释为：材料弯曲时，晶体中分子间距离发生变化所致。

该方法既可在绒毛状状态下，也可在受压状态下测量电流，后者更能代表实际状况。此外，该方法还可在柔性基底上直接测量多种电学性能。