Effect van Buigen op de elektrische eigenschappen van flexibele organische Single Crystal-gebaseerde field-effect transistors

Samenvatting

Dit manuscript beschrijft het buigproces van een organisch monokristallijn gebaseerde veldeffecttransistor een functionerende inrichting voor het meten van de eigenschappen elektronische handhaven. De resultaten suggereren dat veroorzaakt buiging in molecuulstructuur tussenruimte in het kristal en dus de lading hopdosering, wat belangrijk is in flexibele elektronica.

Samenvatting

Het ladingstransport in een organische halfgeleider is sterk afhankelijk van de moleculaire pakking in het kristal, die de elektronische koppeling enorm beïnvloedt. In zachte elektronica, waarbij organische halfgeleiders een cruciale rol speelt, de apparaten worden gebogen of herhaaldelijk gevouwen. Het effect van het buigen op de kristalpakking en dus het ladingstransportkanaal is cruciaal voor de werking van het apparaat. In dit manuscript beschrijven we het protocol bij een eenkristal 5,7,12,16-tetrachloor-6,13-diazapentacene (TCDAP) in het veldeffekttransistor configuratie buigen en reproduceerbaar IV karakteristieken van het kristal buiging verkrijgen. De resultaten tonen dat het buigen van een veldeffect transistor opgesteld op een flexibel substraat resulteert in nagenoeg reversibel Nog tegengestelde bewegingen mobiliteit belast, afhankelijk van de buigrichting. De mobiliteit neemt toe wanneer de inrichting wordt gebogen naar de boven-gate / diëlektrische laag (omhoog, samendrukkende toestand) en neemt af wanneer zijnnt in de richting van het kristal / substraat zijde (naar beneden, trek staat). Het effect van het buigen kromming werd ook waargenomen, met een grotere verandering mobiliteit dankzij hogere buigen kromming. Gesuggereerd wordt dat de intermoleculaire π-π afstand verandert bij buigen, waardoor de elektronische koppeling en de daaropvolgende carrier transportvermogen beïnvloeden.

Inleiding

Zachte elektronische apparaten, zoals sensoren, displays en draagbare elektronica, worden momenteel ontworpen en actiever onderzocht, en velen zijn zelfs gelanceerd in de markt in de afgelopen jaren ^1,2,3,4. Organische halfgeleidende materialen een belangrijke rol in deze elektronische inrichtingen spelen vanwege hun specifieke voordelen, zoals lage ontwikkelingskosten, het vermogen om te worden bereid in oplossing of bij lage temperaturen, en in het bijzonder de flexibiliteit in vergelijking met anorganische halfgeleiders ^5,6. Een speciale aandacht voor deze elektronica is dat ze worden blootgesteld aan veelvuldig buigen. Buigen introduceert spanning in de componenten en de materialen in de inrichting. Een stabiele en consistente prestaties vereist zijn als dergelijke inrichtingen worden gebogen. Transistors zijn een essentieel onderdeel van de meeste van deze elektronica en hun prestaties onder buiging van belang. Een aantal studies hebben deze voorstelling probleem aangepakt door het buigen van organische thin film transistors ^7,8. Terwijl de veranderingen in de geleiding bij buigen kan worden toegeschreven aan veranderingen in de afstand tussen de korrels in een polykristallijne dunne film, een meer fundamentele vraag is of de geleiding in een monokristal kan veranderen bij buigen. Het is algemeen aanvaard dat ladingstransport tussen organische moleculen is sterk afhankelijk van de elektronische koppeling tussen moleculen en de reorganisatie energie die betrokken zijn bij de onderlinge tussen de neutrale en geladen staten ^9. Elektronische koppeling is zeer gevoelig voor de afstand tussen naburige moleculen en de overlap van grens moleculaire orbitalen. Het buigen van een geordende kristallen introduceert spanning en kunnen de relatieve positie van moleculen in het kristal te veranderen. Dit kan worden getest met een monokristallijn gebaseerde veldeffecttransistor. Een verslag gebruikt eenkristallen van rubreen op een flexibel substraat om het effect van kristaldikte studie bij buigen ^10. deondeugden met koperftalocyanine nanodraad kristallen voorbereid op een vlakke ondergrond werden naar een hogere mobiliteit bij buigen ^11. De eigenschappen van een FET inrichting gebogen in verschillende richtingen zijn niet onderzocht.

Het molecuul 5,7,12,16-tetrachloor-6,13-diazapentacene (TCDAP) een n-type halfgeleider materiaal ^12. Het kristal van TCDAP heeft monokliene pakking motief met verschoven π-π stacking tussen naburige moleculen langs de a-as van de eenheidscel in een cel lengte van 3,911 Å. Het kristal groeit langs deze verpakking richting om lange naalden te geven. De maximale n-type veldeffect mobiliteit gemeten in deze richting bereikt 3,39 cm ² / V-sec. In tegenstelling tot veel organische kristallen die bros en breekbaar zijn, wordt TCDAP kristallen gevonden zeer flexibel te zijn. In dit werk, gebruikten we TCDAP als het geleidende kanaal en bereidde de eenkristal veldeffekttransistor op een flexibel substraat of polyethyleentereftalaat (PET). Mobiliteit werd gemeten voor de kristal op een vlak substraat, de inrichting gebogen richting van het flexibele substraat (beneden) of gebogen naar de poort / diëlektricum zijde (boven). IV gegevens werden geanalyseerd op basis van veranderingen in de stapelvolgorde / koppeling afstand tussen de naburige moleculen.

Protocol

1. Bereiding van TCDAP ¹²

1. Synthetiseren TCDAP door het volgen van de literatuur procedures ^13.
2. Zuiver het product TCDAP door de temperatuur-gradiënt sublimeren, met drie temperatuurzones ingesteld op 340, 270 en 250 ° C gesteld, onder een vacuümdruk van 10 ^-6 Torr ^12,14.

2. Grow Single Kristallen van TCDAP Met behulp van een Physical Vapor Transfer (PVT) System ¹⁴

1. Zet de TCDAP monster aan één uiteinde van een boot (5 cm lang) en laadt de boot in een glazen binnenbuis (15 cm lang met een diameter van 1,2 cm).
2. Laad de binnenband in een glazen buis langer (83 cm lang en 2 cm in diameter) en druk deze naar ongeveer 17 cm vanaf de opening.
3. Laad de lange glazen buis in een koperen buis (60 cm lang en 2,5 cm in diameter) horizontaal bevestigd op een frame; zorg ervoor dat de boot van TCDAP is gelegen in het midden van het verwarmen gebied gedefinieerd door een verwarmings- band arond de koperen buis.
4. Spoel de PVT-systeem met heliumgas bij een stroomsnelheid van 30 cc / min, en zet de transformator te warmen de verwarming band tot 310 ° C; op deze temperatuur gehouden gedurende twee dagen.
5. Na afkoelen van het systeem tot kamertemperatuur, verzamel de kristallen uit de binnenbuis.

3. Device Fabrication

1. Zet een 200 urn dikke, transparante, voorgesneden PET substraat (2 cm x 1 cm) in een flesje en schoonmaken door sonicatie in reinigingsmiddel, gedeïoniseerd water en aceton, achtereenvolgens voor 30 minuten elk. Droog het substraat door stikstofstroom.
2. Plaats de dubbelzijdige tape op de PET-substraat.
3. Onderzoek de kristallen onder een stereomicroscoop. Kies een goede kwaliteit, glanzende kristallen met een afmeting van ~ 5 mm x ~ 0,03 mm voor het apparaat fabricage. Plaats een naaldachtige TCDAP kristal parallel met de lengte van de PET substraat op de dubbelzijdige tape en bevestig deze stevig.
4. Onder een stereomicroscoop, van toepassing water-gebaseerde colloïdaal grafiet door een microliter injectienaald in een lijn (enkele mm) die zich uitstrekt van beide uiteinden van het kristal als de toe- en afvoerzones. Wacht ongeveer 30 minuten voor het colloïdaal grafiet te drogen en meet de afstand tussen de twee grafiet plekken onder een optische microscoop om de exacte kanaallengte bepalen (houdt deze 0,6-1 mm).
5. Gebruik carbon geleidende tape om de PET substraat vast te stellen op een microscopisch dia. Plaats het preparaat aan het einde van de pyrolyse buis van de afzettingskamer.
6. Weeg 0,5 g van de voorloper van de diëlektrische isolator, [2,2] -paracyclofaan en plaats het niet bij de inlaat van de buis pyrolyse.
7. Pomp het systeem aan een vacuüm van 10 ^-2 Torr. Verwarm de pyrolyse zone nabij het midden van de buis tot een vooraf ingestelde temperatuur van 700 ° C en op deze temperatuur gehouden.
8. Verwarm het [2.2] -paracyclofaan monster tot 150 ° C. De dampen van de voorloper zal door de pyrolyse zone passerende monomeren, die condenseren het einde van de pyrolyse buis te polymeriseren.
9. Laat de pyrolyse / polymerisatiereactie voortgaan gedurende 2 uur.
10. Afkoelen van het systeem en haal de monsters uit de pyrolyse buis.
11. Bepaal de dikte van de afgezette diëlektrische laag door meting van de hoogte van de trede en het substraat met een profilometer volgens de instructies van de fabrikant.
12. Toepassen-isopropanol gebaseerde colloïdaal grafiet door een microliter injectienaald in een lijn op de achterkant van de diëlektrische laag boven het kristal te dienen als de poortelektrode.

4. Meet de prestaties van het apparaat

1. Gebruik de scalpel een gat dwars door de polymere diëlektrische film boven de source / drain-elektrode gebied om de elektroden bloot eronder voor aansluiting.
2. Met de hulp van een tribune en klemmen, breng de elektrode probes van de Parameter Analyzer in contact komen metde source / drain / gate-elektroden. Noteer de IV kenmerken op verschillende potentialen gate volgens de instructies van de fabrikant.
   Opmerking: Hier worden de gate potentialen ingesteld van -60 V tot 60 V 15 V stappen.

5. Buigen Experimenten

1. Om de woningen in de trek- overheidsmaatregel, wikkel de achterzijde van het flexibele PET substraat rond cilinders van verschillende radii (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm en 5,8 mm) en bevestig de PET-substraat aan de cilinder aan vier zijden met vacuüm tape .
2. Sluit de probes aan de source / drain / gate-elektroden en meet de IV kenmerken op verschillende potentialen poort zoals beschreven in 4.2.
3. Te meten in de samendrukkende toestand wikkel helft van de voorzijde van het PET substraat rond het einde van een cilinder, zodanig dat het kristal / source / drain / gate elektroden tegenover de cilinder en toch nog steeds blootgesteld. Bevestig de PET substraat op de cilinder met vacuüm tape (zie Fig. 5 ).
4. Sluit de probes aan de source / drain / gate-elektroden en meet de IV kenmerken op verschillende potentialen poort zoals beschreven in 4.2.
   OPMERKING: Een dwarsdoorsnede van de inrichting structuur getoond in Fig. 1.

Resultaten

De single crystal XRD analyse blijkt dat TCDAP is een uitgebreide π-systeem met moleculen inpakken langs de A-as. Fig. 2 toont de scan patroon van poeder XRD voor een TCDAP kristal. Een reeks scherpe pieken waargenomen, overeenkomend alleen tot de familie van (0, k, ℓ) vlakken door vergelijking met het poeder diffractiepatroon van het kristal. Dit zou impliceren dat de kristalstructuur georiënteerd is zoals getoond in Fig. 3.

Discussie

In dit experiment werd een aantal parameters beïnvloeden de succesvolle meting van de mobiliteit veld-effect. Ten eerste moet de éénkristallijne groot genoeg om te worden gefabriceerd tot een veld-effect apparaat voor meten van de eigenschappen zijn. Werkwijze fysische damp overdracht (PVT) is degene die kunnen grotere kristallen worden gekweekt. Door de temperatuur en de stroomsnelheid van het dragergas, kristallen van grootte tot een halve centimeter kan worden verkregen. Ten tweede, de keuze van een monokristal van b...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Colloïdaal grafiet (op waterbasis)	TED PELLA,INC	NO.16053
Colloïdaal grafiet (op IPA-basis)	TED PELLA,INC	NO.16051
[2.2]Paracyclophaan, 99%	Alfa Aesar	1633-22-3
polyethyleentereftalaat	Uni-Onward
Mini-Mite 1,100 °C buisovens (enkele zone)	Thermo Scientific	TF55030A
Agilent 4156C Precisie Halfgeleider Parameters	Keysight	HP4156