Name: 유연한 유기 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성에 영향 절곡 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: 학습하세요 유연한 유기 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성에 절곡이 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 방법을. 이 기술은 분자 간격과 전하 이동률 변화를 측정하여 유연 전자소자 설계에 필수적인 데이터를 제공합니다.

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이 작업은 중화민국 대만 과학기술부의 보조금 번호 101-2113-M-001-006-MY3을 통해 지원되었습니다.

TCDAP 12 1. 준비 <ol><li> 문학 절차 (13)에 따라 TCDAP을 합성. </li><li> 340 (270)에서 설정된 세 개의 온도 영역에 온도 구배 승화 법에 의해 TCDAP 생성물을 정제하고, 250 ° C 각각 10-6 토르 (12, 14)의 진공 압력하에. </li></ol> 2. TCDAP 물리적 증기 전송을 사용하여 (PVT) 시스템 (14)의 단결정을 성장 <ol><li> (1.2 cm 직경으로 15 cm 길이) (5 cm 길이) 보트의 일단에 TCDAP 샘플을 넣어 유리 내통에 보트 로딩. </li><li> 긴 유리 (83cm 길이 직경 2cm) 튜브 내부 튜브를로드하고 개방에서 약 17cm에 밀어 넣습니다. </li><li> (길이 60cm, 직경 2.5 cm)이 수평 선반에 고정 된 구리 튜브로 긴 유리 튜브를로드; 확인 TCDAP의 보트의 가열 대역 AR에서 정의한 가열 영역의 중간에 위치되어 있는지 확인구리 관 아 운드. </li><li> 은 30cc / 분의 유량으로 헬륨 가스로 PVT 시스템을 제거하고 310 ℃로 가열 대역을 데워 변압기 켜; 이틀 동안이 온도에서 유지한다. </li><li> 실온으로 시스템을 냉각시킨 후, 내부 튜브의 결정을 수집한다. </li></ol> 3. 디바이스 제조 <ol><li> 30 분마다, 순차적으로, 바이알에 200 ㎛의 두께, 투명, 프리 컷 PET 기판 (2cm X 1cm)을 넣고 세제에서 초음파, 증류수 및 아세톤으로 청소. 질소 흐름에 의해 기판을 건조. </li><li> 애완 동물 기판에 양면 테이프를 놓습니다. </li><li> 실체 현미경 하에서 결정을 검사합니다. 장치 제조를위한 ~ 5mm X ~ 0.03 mm의 크기로 결정 빛나는, 좋은 품질을 선택합니다. 양면 테이프의 PET 기판의 길이와 바늘 형상 TCDAP 결정 평행하게 배치하고 확실하게 고정한다. </li><li> 실체 현미경에서 와트 적용소스 및 드레인으로서 작용하는 결정의 양단으로부터 연장되는 라인 (몇 mm)의 마이크로 리터 주사기 바늘을 통한 ER 계 콜로이드 흑연. 건조 (0.6-1 mm에서 유지)를 정확한 채널 길이를 결정하기 위해 광학 현미경으로 두 흑연 스폿 간의 거리를 측정하는 콜로이드 흑연에 대해 30 분 동안 기다린다. </li><li> 현미경 슬라이드에 PET 기판을 해결하기 위해 탄소 전도성 테이프를 사용합니다. 성막 실의 열분해 반응 관의 끝 부분에 슬라이드를 놓는다. </li><li> 유전 절연체의 전구체 0.5 g, [2.2] paracyclophane의 무게를 측정하고, 열분해 관의 입구 근처에 배치합니다. </li><li> 10-2 Torr의 진공 시스템을 펌프. 700 ℃의 사전 설정된 온도로 상기 튜브 위로의 중심 근처 열분해 영역을 미리 가열하고,이 온도에서 유지한다. </li><li> 150 °의 C에 [2.2] paracyclophane 샘플을 가열. 전구체의 증기는 열분해 구역을 통과하게중합 열분해 관의 끝 부분에 응축 단량체를 얻었다. </li><li> 열분해 / 중합 반응을 2 시간 동안 계속하자. </li><li> 시스템을 냉각 및 열분해 튜브에서 샘플을 꺼내. </li><li> 층의 단차를 측정하고, 기판은 제조자의 지시에 따라 프로파일로 미터를 이용하여 증착 된 유전체 층의 두께를 결정한다. </li><li> 게이트 전극의 역할을하는 결정 상기 유전체층의 뒷면에 광고의 마이크로 리터 주사기 바늘을 이소프로판올 계 콜로이드 흑연을 적용한다. </li></ol> 4. 장치의 성능을 측정 <ol><li> 접속 용의 아래에 전극을 노출시키기 위해 상기 소오스 / 드레인 전극 영역 위에 폴리머 유전체 막의 구멍을 잘라 메스를 사용한다. </li><li> 스탠드와 클램프의 도움과 접촉 파라미터 분석기에서 전극 프로브를 가지고소스 / 드레인 / 게이트 전극. 제조자의 지시에 따라 다른 게이트 전위의 IV 특성을 기록한다. 참고 : 여기에, 게이트 전위는 15 V 단계에서 60 V에 -60 V에서 설정됩니다. </li></ol> 5. 굽힘 실험 <ol><li> 다른 반경 (14.0 mm, 12.4 mm, 8.0 mm, 5.8 mm)의 실린더 주위의 유연한 PET 기판의 뒷면을 래핑, 인장 상태의 특성을 측정하고 진공 테이프로 사방에 실린더의 PET 기판을 해결하려면 . </li><li> 소스 / 드레인 / 게이트 전극에 프로브를 연결하고, 4.2에 기재된 바와 같이 상이한 게이트 전위의 IV 특성을 측정한다. </li><li> 압축 상태에서 측정하기 위하여, 실린더의 단부 주위의 PET 기판의 앞쪽 절반을 래핑, 결정 / 소스 / 드레인 / 게이트 전극 아직 실린더 향하게되도록 여전히 노출되어있다. 진공 테이프 (그림 참조와 실린더의 PET 기판을 고정합니다. (5) </strong&gt;). </li><li> 소스 / 드레인 / 게이트 전극에 프로브를 연결하고, 4.2에 기재된 바와 같이 상이한 게이트 전위의 IV 특성을 측정한다. 주 : 디바이스 구조의 단면도는도 그림에 도시되어있다. 1. </li></ol>

<ol><li>Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+Organic+Transistors+and+Circuits+with+Extreme+Bending+Stability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Flexible Organic Transistors and Circuits with Extreme Bending Stability.</a> Nat. Mater. 9, 1015-1022 (2010).</li>
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</ol>

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이 실험에서는, 다수의 파라미터는 전계 효과 이동도의 성공적인 측정에 영향을 미친다. 우선, 단결정 충분한 특성 측정 용 전계 효과 장치로 제조 될 수 있어야한다. 물리적 증기 전송 (PVT) 방법은 큰 결정을 성장시킬 수있는 하나입니다. 온도 및 캐리어 가스의 유량을 조절함으로써, 결정의 최대 크기 절반 cm 얻을 수있는 것이다. 둘째, 단결정의 선택은 중요하다. 명백한 단결정은 결정의 번들을 포함 할 수 있으며, 굽힘 번들의 분해는 원인이 될 수 있습니다. 따라서, 얇은 결정이 바람직하다. 셋째, 배 양면 광범위한 실험 테이프없이 결정 유전체층 및 / 또는 전극 사이의 접촉 조작을 절곡 여러 따라 이동할 수 있다는 것을 보여 주었다 같이 테이프, 기판 표면과 일정한 접촉 결정을 유지하는 것이 필요하므로 접촉 저항은 증가한다는ND 불안정하거나 재생 불가능한 전류 측정이 얻어진다. 또 다른 문제는 결정의 단부가 상향으로 절곡하면, 압축 된 상태를 달성한다. 적절한 직경의 실린더 주위에 플렉시블 기판을 배치하면, 결정 / 소스 ...

센서, 디스플레이, 전자 착용 소프트 전자 기기는, 현재 설계중인 더욱 활발히 연구 및 많은 심지어 최근 1,2,3,4-에서 시장에 출시되어있다. 유기 반도체 물질로 인해 낮은 개발 비용을 포함하여 자신의 고유 한 장점을이 전자 장치에있어서 중요한 역할을 할 수있는 능력은 특히 유연성 무기 반도체 5,6- 비교할 때, 용액 또는 낮은 온도에서 제조하고있다. 이 전자에 대한 하나의 특별한 배려는 자주 굽힘을 실시 할 것입니다. 굽힘은 부품 및 장치 내에서 재료의 변형을 소개합니다. 이러한 장치가 구부러진 다 같이 안정적이고 일관된 성능이 필요합니다. 트랜지스터는 이러한 전자의 대부분의 중요한 구성 요소이며, 굽힘에서 성능이 관심이다. 다수의 연구는 유기 t 절곡하여 성능 문제를 다루었힌 필름은 7,8 트랜지스터. 굴곡에 따라 전도도의 변화가 다결정 박막의 입자 사이의 간격의 변화에 ​​기인 할 수 있지만, 물어보다 근본적인 문제는 전도성이 굴곡에 따라 단결정 내에서 변경할 수 있는지 여부입니다. 잘 유기 분자 사이의 전하 수송은 분자와 중립 및 충전 상태 (9) 사이의 상호 관련된 조직 개편 에너지 사이의 전자 결합에 크게 의존 허용됩니다. 전자 커플 링은 이웃 분자 사이의 국경 분자 궤도 함수의 중첩까지의 거리에 매우 민감하다. 잘 정렬 된 결정의 굽힘 변형을 소개하고 결정 내에서 분자의 상대적 위치를 변경할 수 있습니다. 이는 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터로 시험 할 수있다. 하나의 리포트 (10)를 절곡시 결정의 두께의 효과를 연구하기 위해가요 성 기판 상에 루 브렌의 단결정을 사용 하였다. 드평평한 기판 상에 제조 된 구리 프탈로시아닌 나노 결정으로 악 11 굽힘시 높은 이동성을 가지고 도시되었다. 그러나, 다른 방향에서의 FET 디바이스의 굴곡의 속성이 탐색되지 않았다. 분자 5,7,12,16 테트라 클로로 6,13- diazapentacene (TCDAP)은 n 형 반도체 재료 (12)이다. TCDAP의 결정은 3.911 Å의 셀 길이의 단위 셀의 ㄱ 축을 따라 이웃 분자 사이의 이동 π-π 스태킹과 단사 포장 모티브를 가지고있다. 크리스탈은 긴 바늘을 제공하는이 포장 방향에 따라 성장한다. 이 방향을 따라 측정 된 최대의 n 형 전계 효과 이동도는 cm 2 / V · 초 3.39 이르렀다. 부서지기 쉬운 연약한 많은 유기 결정과는 달리, TCDAP 결정은 매우 유연하게 발견된다. 본 연구에서는 도통 채널로 TCDAP을 사용 플렉시블 기판 O의 단결정 전계 효과 트랜지스터를 제조F 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET). 이동성 (하방) 또는 (상방), 게이트 / 유전체 측으로 굴곡 플렉시블 기판을 향해 장치 절곡하여, 평면 기판 상에 액정을 측정 하였다. IV 데이터는 이웃 간의 겹침 / 결합 거리의 변화에 기초하여 분석 하였다 분자.

<table><tbody><tr><td>콜로이드 흑연 (수성)</td><td>TED PELLA,INC</td><td>NO.16053</td><td></td></tr><tr><td>콜로이드 흑연 (IPA 기반)</td><td>TED PELLA,INC</td><td>NO.16051</td><td></td></tr> <tr><td>[2.2] 파라 사이클로 판, 99 %</td> <td>알파 Aesar</td><td>1633-22-3</td><td></td></tr><tr><td>폴리에틸렌 테레 프탈레이트</td><td>Uni-Onward</td><td></td><td></td></tr><tr><td>미니 진드기 1,100 &deg; C 관상로 (단일 구역)</td><td>Thermo Scientific</td><td>TF55030A</td><td></td></tr><tr><td>Agilent 4156C 정밀 반도체 파라미터</td><td>Keysight</td><td>HP4156</td><td></td></tr></tbody></table>

유연한 유기 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성에 영향 절곡

Effect of Bending on the Electrical Characteristics of Flexible Organic Single Crystal-based Field-effect Transistors

유기 반도체에서의 전하 수송은 대단히 전자 결합에 영향을 미치는 결정에 분자 포장에 매우 의존한다. 그러나, 유기 반도체가 중요한 역할을하는 부드러운 전자에, 장치가 구부러됩니다 또는 반복적으로 접혀. 결정 패킹 따라서 전하 수송에 휨의 효과는 소자의 성능에 결정적이다. 이 논문에서는, 전계 효과 트랜지스터의 구성 5,7,12,16 테트라 클로로 6,13- ​​diazapentacene (TCDAP) 단결정 구부러 및 결정 굽힘에 재현 IV 특성을 획득하기 위해 상기 프로토콜을 설명한다. 그 결과, 전하 이동도 거의 가역적 아직 대향 추세 플렉시블 기판 결과에 제조 된 전계 효과 트랜지스터 굽힘 굽힘 방향에 따라 보여준다. 장치가 탑 게이트 / 유전체 층 (상향 압축 상태)을 향해 절곡 될 때 감소되는 이동성 증대NT 결정 / 기판 측 (하방으로 인장 상태)를 향해. 곡률 휨의 효과는 또한 높은 굽힘 곡률 인한 이동성의 변화를 관찰 하였다. 이 제안된다함으로써 전자 결합 이후의 캐리어 수 송능을 좌우 절곡시 분자간의 π-π 거리가 변화한다.

단결정 XRD 분석 TCDAP는 ㄱ 축.도 함께 포장 분자 확장 π 시스템임을 보여준다. 2는 TCDAP 결정을위한 분말 XRD에 의한 주사 패턴을 보여줍니다. 날카로운 피크의 일련의 결정의 분말 회절 패턴과 비교하여, 단 (0, K, ℓ)면의 계열에 대응하는 관찰된다. 이도에 도시 된 바와 같이, 결정 구조가 배향되어 있다는 것을 의미한다. 3. 절곡 전에 평탄 n 형 TCDAP 단결정 트랜지스터는 게이트 전압이 15 V 단계 60 V -60 V까지 변화시켰다 양성 게이트 전압 (V GS) 잘 해결 포화 전류를 주었다. 이것은 (도. 4A).도...

본 논문의 전자 특성 측정을위한 작동 장치를 유지하기위한 유기 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터의 절곡 가공을 설명한다. 결과는 제안 그 결정의 분자 간격에 따라서 유연 전자에서 중요하다 충전 호핑 속도의 굽힘 원인 변경.

The charge transport in an organic semiconductor depends highly on the molecular packing in the crystal, which influences the electronic coupling ...

본 연구의 전체적인 목표는 평평한 기판의 굽힘이 해당 기판 위에 제작된 전계 효과 트랜지스터의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 입증하는 것입니다. 이 방법은 유기 트랜지스터를 사용하는 소자의 성능에 기판의 굽힘이 어떻게 영향을 주는지 등, 유연 전자 소자의 핵심 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.이 기술의 주요 장점은 다양한 굽힘 방향에 대해 광범위한 정량적 데이터를 얻을 수 있다는 점과 유기 결정 내의 패킹 배열에 대한 증거를 제공한다는 점입니다. 텍스트 프로토콜에 기술된 대로 TCDAP 샘플을 준비하십시오.시료를 보트의 한쪽 끝에 넣고, 보트를 유리 내관에 넣습니다. 내관을 더 긴 유리관 안에 넣고, 입구로부터 약 17 centimeters 정도 밀어 넣습니다. 다음으로, 긴 유리관을 랙에 수평으로 고정된 구리관 안에 넣습니다.TCDAP의 보트가 구리 튜브 주변의 가열 밴드로 정의된 가열 영역의 중앙에 위치해 있는지 확인하십시오. PBT 시스템을 30 cubic centimeters per minute의 유량으로 헬륨 가스를 사용하여 퍼지하십시오. 그런 다음, 변압기를 켜서 가열 밴드를 310 degrees Celsius까지 가열하십시오.이 온도를 이틀 동안 유지하십시오. 시스템을 상온으로 냉각한 후, 내부 튜브에서 결정을 수집하십시오. 미리 세척하고 절단한 200 micron 두께의 투명 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 양면 테이프를 붙이십시오.실체 현미경으로 결정을 관찰합니다. 소자 제작을 위해 크기가 약 5 millimeters by 0.03 millimeters이며 광택이 있는 양질의 결정을 선택합니다. 바늘 모양의 TCDAP 결정을 PET 기판의 길이 방향과 평행하게 양면테이프 위에 놓고 단단히 고정합니다.실체 현미경 하에서, 소스와 드레인 역할을 하도록 결정의 양 끝단까지 이어지는 선 형태로 마이크로리터 시린지 바늘을 통해 수성 콜로이드 흑연을 도포합니다. 콜로이드 흑연이 건조될 때까지 약 30분 동안 기다린 후, 광학 현미경으로 두 흑연 지점 사이의 거리를 측정하여 정확한 채널 연결 길이를 결정합니다. 탄소 전도성 테이프를 사용하여 PET 기판을 현미경 슬라이드 위에 고정합니다.슬라이드를 증착 챔버 내 paralysis tube의 끝부분 근처에 놓습니다. 유전 절연체 전구체인 Paracyclophane 0.5 g을 정밀하게 측정하여 paralysis tube의 입구 근처에 배치합니다. 시스템을 10⁻² torr의 진공 상태가 될 때까지 펌핑합니다.튜브 중심 근처의 마비 영역(paralysis zone)을 설정 온도인 700 °C로 예열하고, 이 온도를 유지합니다. Paracylophane 샘플을 150 °C로 가열합니다. 전구체의 증기가 마비 영역을 통과하면서 단량체를 생성하게 됩니다.이는 파랄리제이션 튜브의 끝부분 근처에서 응결되어 중합 반응을 통해 폴리머 코팅을 형성하게 됩니다. 파랄리제이션 중합 반응이 2시간 동안 지속된 후, 시스템을 냉각시키고 파랄리제이션 튜브에서 샘플을 꺼냅니다. 제조업체의 지침에 따라 프로파일로미터를 사용하여 기판 위 폴리머 층의 단차 높이를 측정함으로써, 증착된 폴리머 유전체 층의 두께를 결정합니다.게이트 전극으로 사용하기 위해, 마이크로리터 시린지 바늘을 통해 이소프로판올 기반의 콜로이드 흑연을 유전체 층 뒷면의 결정 위에 선 형태로 도포합니다. 메스로 소스-드레인 전극 영역 위의 고분자 유전체 막에 구멍을 내어, 연결을 위해 하단의 전극들을 노출시킵니다. 클램프가 장착된 스탠드를 사용하여 파라미터 분석기의 전극 프로브를 소스, 드레인, 게이트 전극에 접촉시킵니다.제조사의 지침에 따라 다양한 게이트 전압에서 IV 특성을 기록하십시오. 텐실(tinsel) 상태에서의 특성을 측정하려면, 유연한 PET 기판의 뒷면을 서로 다른 반지름의 실린더에 감고, 진공 테이프를 사용하여 PET 기판의 네 면을 실린더에 고정하십시오. 프로브를 소스, 드레인, 게이트 전극에 연결한 후, 이전과 동일하게 다양한 게이트 전압에서 IV 특성을 측정하십시오.압축 상태에서 측정하려면, PET 기판 앞면의 절반을 실린더 끝부분에 감싸 결정의 소스, 드레인, 게이트 전극이 실린더를 향하면서도 여전히 노출되도록 합니다. 진공 테이프를 사용하여 PET 기판을 실린더에 고정합니다. 마지막으로 프로브를 소스, 드레인, 게이트 전극에 연결하고, 이전과 동일하게 서로 다른 게이트 전위에서 IV 특성을 측정합니다.유연 기판 위에 제작된 상부 접촉 단결정 전계 효과 트랜지스터가 나타나 있습니다. 굽힘 실험의 모식도와 더불어, 위쪽으로 굽힌 압축 상태와 아래쪽으로 굽힌 인장 상태가 각각 제시되어 있습니다.하향 굽힘 상태에서 TCDAP 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터 소자의 전달 특성 중첩 그래프가 여기에 표시되어 있습니다. 상향 굽힘 상태에서 TCDAP 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터 소자의 전달 특성 중첩 그래프 또한 표시되어 있습니다. 이 도표들은 TCDAP 단결정 기반 소자의 하향 굽힘 및 상향 굽힘에 따른 굽힘 반경의 함수로서 측정된 이동도를 나타냅니다.단결정 소자의 전계 효과 이동도는 굽힘 방향에 따라 서로 반대 방향으로 변화했습니다. 이는 결정 내 분자들의 패킹 배열 변화로 인한 것일 수 있습니다. 본 실험은 소자 기판의 굽힘에 따른 유기 트랜지스터의 소자 특성을 이해하기 위해 설계되었습니다.본 실험에서는 유기 전도체 단결정을 채널 물질로 이용하였습니다. 방법론적 복잡성을 제거하기 위해, 적절한 크기와 품질의 단결정을 선택하는 것이 중요합니다.유기 결정과 유전층 사이에 일정한 접촉을 유지하여 재현성 있는 결과를 얻기 위해서는 양면테이프의 사용이 필수적입니다. 실린더에 감아 압축 상태에 도달하도록 소자의 끝부분을 위쪽으로 구부릴 때, 소자의 절반이 공기에 노출되도록 실린더 끝에 감습니다. 이렇게 하면 파라미터와 전극과의 접촉이 가능해집니다.압축 상태에서는 유동성이 증가하며, 굽힘 곡률이 높을수록 그 증가폭이 더 크다는 것을 시사합니다. 반면, 인장 상태에서는 유동성이 감소하며, 이 또한 굽힘 곡률이 높을수록 더 많이 감소합니다. 전자 컵핑(electronic cupping)과 유동성 사이의 상관관계에 대하여, 이러한 결과는 굽힘 시 결정 내 분자 간 거리의 변화로 인해 발생하는 것으로 설명됩니다.이 방법은 압축 상태뿐만 아니라 인장 상태에서의 전류 측정도 가능하게 하며, 이는 실제 상황을 더 잘 나타냅니다. 또한, 이 방법을 통해 유연 기판 상에서 다양한 전기적 특성을 직접 측정할 수 있습니다.

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유연한 유기 단결정 기반 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성에 영향 절곡

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