Effet de courber sur les caractéristiques électriques des transistors à effet de champ à base de cristal flexible organique unique

Résumé

Ce manuscrit décrit le processus de pliage d'un transistor organique unique à base de cristal à effet de champ pour maintenir un dispositif de fonctionnement pour la mesure de la propriété électronique. Les résultats suggèrent que les causes de flexion des changements dans l'espacement moléculaire dans le cristal et donc de la vitesse de saut de charge, ce qui est important dans l'électronique flexible.

Résumé

Le transport de charges dans un semiconducteur organique dépend fortement de la compactation moléculaire dans le cristal, ce qui influence le couplage électronique énormément. Cependant, dans l'électronique mous, dans laquelle les semi-conducteurs organiques jouent un rôle essentiel, les dispositifs seront pliées ou pliées de manière répétée. L'effet de flexion sur l'emballage du cristal et donc le transport de charges est cruciale pour les performances de l'appareil. Dans ce manuscrit, nous décrivons le protocole à plier un seul cristal de 5,7,12,16-tétrachloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) dans la configuration du transistor à effet de champ et d'obtenir des caractéristiques IV reproductibles lors d'une flexion du cristal. Les résultats montrent que la flexion d'un transistor à effet de champ préparé sur un des résultats flexibles de substrat dans les tendances opposées encore près réversibles dans la mobilité de charge, en fonction de la direction de flexion. Les augmentations de mobilité lorsque le dispositif est courbé vers le haut de grille / couche diélectrique (vers le haut, l'état de compression) et diminue quand êtrent vers le côté cristal / substrat (vers le bas, l'état de traction). L'effet de flexion courbure a également été observée, avec un plus grand changement de mobilité résultant de plus la courbure de flexion. Il est suggéré que les modifications de la distance intermoléculaire π-π lors d'une flexion de, influençant ainsi le couplage électronique et la capacité de transport du transporteur ultérieur.

Introduction

Dispositifs électroniques souples, tels que les capteurs, les affichages et l' électronique portable, sont actuellement conçus et étudiés plus activement, et beaucoup ont même été lancés sur le marché au cours des dernières années ^1,2,3,4. Matériaux semi - conducteurs organiques jouent un rôle important dans ces dispositifs électroniques en raison de leurs avantages inhérents, y compris le coût de développement faible, la capacité à préparer en solution ou à de basses températures et, en particulier, leur flexibilité par rapport aux semi - conducteurs inorganiques ^5,6. Une attention particulière pour ces appareils électroniques est qu'ils seront soumis à une flexion fréquente. Bending introduit la contrainte dans les composants et les matériaux dans le dispositif. Une performance stable et cohérente est nécessaire que de tels dispositifs sont recourbées. Transistors sont une composante essentielle dans la plupart de ces appareils électroniques, et leur performance en flexion est d'intérêt. Un certain nombre d'études ont abordé cette question de la performance en flexion organique tle film hin transistors ^7,8. Bien que les changements de la conductance sur la flexion peuvent être attribuées aux changements de l'espacement entre les grains dans un film mince polycristallin, une question plus fondamentale à poser est de savoir si la conductance peut changer dans un cristal unique lors d'une flexion. Il est bien admis que le transport de charge entre les molécules organiques dépend fortement de couplage électronique entre les molécules et l'énergie de réorganisation impliqués dans l'interconversion entre les Etats neutres et chargées ^9. couplage électronique est très sensible à la distance entre les molécules voisines et le chevauchement des orbitales moléculaires frontières. Le pliage d'un cristal bien ordonnée présente souche et peut changer la position relative des molécules dans le cristal. Cela peut être testé avec un seul transistor à effet de champ à base de cristal. Un rapport a utilisé des monocristaux de rubrène sur un substrat flexible pour étudier l'effet de l' épaisseur de cristal lors d'une flexion ^10. devices avec des cristaux de nanofils de phtalocyanine de cuivre préparés sur un substrat plat ont été montré pour avoir une plus grande mobilité à la flexion ^11. Cependant, les propriétés d'un dispositif plié FET dans des directions différentes ont pas été explorées.

La molécule 5,7,12,16-tétrachloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) est un matériau semi - conducteur de type n ^12. Le cristal de TCDAP a un motif d'emballage monoclinique empilage décalé π-π entre les molécules voisines le long de l'axe de la cellule unitaire à une longueur de cellule de 3,911 Å. Le cristal se développe le long de cette direction d'emballage pour donner de longues aiguilles. La mobilité à effet de champ de type n de mesure maximale dans cette direction a atteint 3,39 cm ² / V · s. Contrairement à de nombreux cristaux organiques qui sont cassants et fragiles, le cristal de TCDAP se trouve être très flexible. Dans ce travail, nous avons utilisé TCDAP comme canal conducteur et préparé le transistor à effet de champ monocristallin sur un substrat flexible of polyéthylène téréphtalate (PET). La mobilité a été mesurée pour le cristal sur un substrat plat, avec le penchant de l' appareil vers le substrat flexible (vers le bas) ou courbé vers la porte / côté diélectrique (vers le haut). Les données IV ont été analysés sur la base de l'évolution de la distance empilement / couplage entre les voisins molécules.

Protocole

1. Préparation de ¹² TCDAP

1. Synthétiser TCDAP en suivant les procédures de la littérature ^13.
2. Purifier le produit TCDAP par le procédé de sublimation gradient de température, les trois zones de température fixées à 340, 270, et 250 ° C respectivement sous une pression de vide de 10 ^-6 Torr ^12,14.

2. Cultivez monocristaux de TCDAP Utilisation d' un transfert de vapeur physique (PVT) Système ¹⁴

1. Mettre l'échantillon TCDAP à une extrémité d'un bateau (5 cm de long) et de charger le bateau dans un tube interne en verre (15 cm de long avec un diamètre de 1,2 cm).
2. Chargez le tube intérieur dans un tube de verre plus (83 cm de long et 2 cm de diamètre) et le pousser dans environ 17 cm de l'ouverture.
3. Charger le long tube de verre dans un tube de cuivre (60 cm de long et 2,5 cm de diamètre) fixés horizontalement sur un support; assurez-vous que le bateau de TCDAP est situé au milieu de la zone de chauffage définie par un ar bande de chauffageound le tube de cuivre.
4. Purger le système de PVT avec de l'hélium gazeux à un débit de 30 cc / min, puis tourner sur le transformateur pour chauffer la bande de chauffage à 310 ° C; maintenir à cette température pendant deux jours.
5. Après avoir refroidi le système à température ambiante, récupérer les cristaux à partir du tube intérieur.

Fabrication 3. Device

1. Mettez un 200 um d'épaisseur, transparent, substrat prédécoupé PET (2 cm x 1 cm) dans un flacon et le nettoyer par sonication dans une solution de détergent, de l'eau déminéralisée, et de l'acétone, en séquence, pendant 30 minutes chacun. Sécher le substrat par un flux d'azote.
2. Placez ruban adhésif double face sur le substrat PET.
3. Examiner les cristaux sous un stéréomicroscope. Sélectionnez la bonne qualité, brillant cristaux avec une dimension de ~ 5 mm x ~ 0,03 mm pour la fabrication de dispositifs. Placer un cristal TCDAP parallèle aiguille avec la longueur du substrat PET sur le ruban adhésif double face et la fixer solidement.
4. En vertu d'un stéréomicroscope, appliquer watcolloïdale à base de graphite-er à travers une aiguille de seringue microlitre dans une ligne (plusieurs mm) qui se prolonge à partir des deux extrémités du cristal agissant en tant que source et le drain. Attendez environ 30 minutes pour le graphite colloïdal à sécher et mesurer la distance entre les deux taches de graphite sous un microscope optique pour déterminer la longueur du canal exact (maintenir à 0,6-1 mm).
5. Utilisez du ruban de carbone conducteur pour fixer le substrat de PET sur une lame microscopique. Placer la lame près de l'extrémité du tube de pyrolyse de la chambre de dépôt.
6. Peser 0,5 g du précurseur de l'isolant diélectrique, [2,2] paracyclophane, et placez-le à proximité de l'entrée du tube de pyrolyse.
7. Le système de pompe à un vide de 10 ^-2 Torr. Préchauffer la zone de pyrolyse à proximité du centre du tube jusqu'à une température prédéterminée de 700 ° C et maintenir à cette température.
8. Chauffer le [2,2] paracyclophane échantillon à 150 ° C. Les vapeurs du précurseur passeront à travers la zone de pyrolysepour donner des monomères, qui se condensent à proximité de l'extrémité du tube de pyrolyse pour la polymérisation.
9. Laissez la / réaction de polymérisation de pyrolyse continue pendant 2 heures.
10. Refroidir le système et de prendre les échantillons du tube de pyrolyse.
11. Déterminer l'épaisseur de la couche diélectrique déposée en mesurant la hauteur de gradin de la couche et le substrat à l'aide d'un profilomètre selon les instructions du fabricant.
12. Appliquer à base d'isopropanol-colloïdal graphite à travers une aiguille de seringue microlitre en ligne sur le dos de la couche diélectrique au-dessus du cristal pour servir de l'électrode de grille.

4. Mesurer la performance de l'appareil

1. Utilisez le scalpel pour couper un trou dans le film diélectrique polymère dessus de la zone d'électrode de source / drain afin d'exposer les électrodes en dessous pour la connexion.
2. Avec l'aide d'un support et des pinces, amener les sondes d'électrode de l'analyseur de paramètres en contact avecles électrodes source / drain / grille. Enregistrer les caractéristiques IV à des potentiels de grille selon les instructions du fabricant.
   Note: Ici, les potentiels de grille sont définies à partir de -60 V à 60 V à 15 V étapes.

5. Expériences Bending

1. Pour mesurer les propriétés à l'état de traction, envelopper la face arrière du substrat de PET flexible autour des cylindres de rayons différents (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm et 5,8 mm) et fixer le substrat de PET au cylindre sur les quatre côtés avec du ruban à vide .
2. Branchez les sondes à la source / drain / électrodes de grille et de mesurer les caractéristiques IV à différents potentiels de grille comme décrit dans 4.2.
3. À mesurer dans l'état de compression, envelopper la moitié de la face avant du substrat en PET autour de l'extrémité d'un cylindre, de telle sorte que les électrodes de cristal / de source / drain / grille font face au cylindre et pourtant encore exposés. Fixer le substrat PET sur le cylindre avec du ruban à vide (voir Fig. 5 ).
4. Branchez les sondes à la source / drain / électrodes de grille et de mesurer les caractéristiques IV à différents potentiels de grille comme décrit dans 4.2.
   NOTE: Une illustration en coupe transversale de la structure du dispositif est représenté sur la Fig. 1.

Résultats

La seule analyse XRD cristal révèle que TCDAP est un système π étendu avec des molécules d' emballage le long de l'axe. Fig. 2 montre le motif de balayage par la poudre XRD pour un cristal de TCDAP. Une série de pics aigus sont observés, ce qui correspond seulement à la famille des (0, k, ℓ) plans, en comparant avec le diagramme de poudre de diffraction du cristal. Cela impliquerait que la structure cristalline est orienté comme indiqué sur la Fig. 3.

Discussion

Dans cette expérience, un certain nombre de paramètres influencent le succès de la mesure de la mobilité à effet de champ. Tout d'abord, le cristal unique devrait être assez grand pour être fabriqué dans un dispositif à effet de champ pour la mesure de la propriété. Le procédé de transfert physique en phase vapeur (PVT) est celle qui permet de plus grands cristaux à cultiver. En ajustant la température et le débit du gaz porteur d'écoulement, des cristaux de tailles allant jusqu'à un demi-centimètre peut êtr...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Graphite colloïdal (à base d’eau)	TED PELLA,INC	NO.16053
Graphite colloïdal (à base d’IPA)	TED PELLA,INC	NO.16051
[2.2]Paracyclophane, 99 %	Alfa Aesar	1633-22-3
polyéthylène téréphtalate	Uni-Onward
1,100 ° ; Fours tubulaires C (zone unique)	Thermo Scientific	TF55030A
Agilent 4156C Paramètre semi-conducteur de précision	Keysight	HP4156