Artykuł metodologiczny

Wpływ zginania na charakterystyki elektryczne elastycznych organicznych tranzystorów polowych na bazie monokryształów

DOI:

10.3791/54651

⸱

7 listopada 2016

 , 
1Institution of Chemistry, Academia Sinica, 2Department of Chemistry, National Central University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten manuskrypt opisuje proces gięcia organicznego tranzystora polowego opartego na monokrystalicznym materiale w celu utrzymania działającego urządzenia do pomiaru właściwości elektronicznych. Wyniki sugerują, że zginanie powoduje zmiany w odstępach molekularnych w krysztale, a tym samym w szybkości przeskakiwania ładunku, co jest ważne w elastycznej elektronice.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transport ładunku w półprzewodniku organicznym zależy w dużym stopniu od upakowania molekularnego w krysztale, co ma ogromny wpływ na sprzężenie elektronowe. Jednak w miękkiej elektronice, w której półprzewodniki organiczne odgrywają kluczową rolę, urządzenia będą wielokrotnie zginane lub składane. Wpływ gięcia na upakowanie kryształów, a tym samym transport ładunku, ma kluczowe znaczenie dla wydajności urządzenia. W tym manuskrypcie opisujemy protokół zginania monokryształu 5,7,12,16-tetrachloro-6,13-diazapentacenu (TCDAP) w konfiguracji tranzystora polowego i uzyskania odtwarzalnej charakterystyki I-V po zgięciu kryształu. Wyniki pokazują, że zginanie tranzystora polowego przygotowanego na elastycznym podłożu powoduje prawie odwracalne, ale przeciwstawne trendy w ruchliwości ładunku, w zależności od kierunku gięcia. Ruchomość wzrasta, gdy urządzenie jest wygięte w kierunku górnej bramki/warstwy dielektrycznej (w górę, stan ściskania) i maleje, gdy jest zgięte w kierunku strony kryształu/podłoża (w dół, stan rozciągania). Zaobserwowano również efekt krzywizny zginania, przy czym większa zmiana ruchomości wynikała z większej krzywizny zginania. Sugeruje się, że odległość międzycząsteczkowa π-π zmienia się po zginaniu, wpływając w ten sposób na sprzężenie elektroniczne i późniejszą zdolność transportu nośnika.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Miękkie urządzenia elektroniczne, takie jak czujniki, wyświetlacze i elektronika do noszenia, są obecnie projektowane i badane bardziej aktywnie, a wiele z nich zostało nawet wprowadzonych na rynek w ostatnich latach1,2,3,4. Organiczne materiały półprzewodnikowe odgrywają ważną rolę w tych urządzeniach elektronicznych ze względu na ich nieodłączne zalety, w tym niskie koszty rozwoju, możliwość przygotowania w roztworze lub w niskich temperaturach, a w szczególności ich elastyczność w porównaniu z półprzewodnikami nieorganicznymi5,6. Szczególną kwestią dotyczącą tych urządzeń elektronicznych jest to, że będą one poddawane częstemu zginaniu. Gięcie powoduje naprężenia w komponentach i materiałach wewnątrz urządzenia. Wymagana jest stabilna i stała wydajność, ponieważ takie urządzenia są wygięte. Tranzystory są istotnym elementem większości tych układów elektronicznych, a ich wydajność przy zginaniu jest interesująca. W wielu badaniach zajęto się tym problemem wydajności poprzez zginanie organicznych tranzystorów cienkowarstwowych7,8. Podczas gdy zmiany przewodności po zginaniu można przypisać zmianom odstępów między ziarnami w cienkiej warstwie polikrystalicznej, bardziej podstawowym pytaniem, które należy zadać, jest to, czy przewodność może się zmienić w pojedynczym krysztale po zginaniu. Powszechnie przyjmuje się, że transport ładunku między cząsteczkami organicznymi zależy w dużym stopniu od sprzężenia elektronowego między cząsteczkami i energii reorganizacji zaangażowanej w interkonwersję między stanami neutralnymi i naładowanymi9. Sprzężenie elektroniczne jest bardzo wrażliwe na odległość między sąsiednimi cząsteczkami i na nakładanie się granicznych orbitali molekularnych. Wygięcie dobrze uporządkowanego kryształu wprowadza naprężenie i może zmienić względne położenie cząsteczek w krysztale. Można to przetestować za pomocą tranzystora polowego opartego na pojedynczym krystalicznie. W jednym z raportów wykorzystano monokryształy rubrenu na elastycznym podłożu do zbadania wpływu grubości kryształów na zginanie10. Wykazano, że urządzenia z kryształami nanodrutów ftalocyjaniny miedzi przygotowanymi na płaskim podłożu mają większą mobilność po zgięciu11. Jednak właściwości urządzenia FET wygiętego w różnych kierunkach nie zostały zbadane.

Cząsteczka 5,7,12,16-tetrachloro-6,13-diazapentacen (TCDAP) jest materiałem półprzewodnikowym typu n12. Kryształ TCDAP ma jednoskośny motyw upakowania z przesuniętymi π-π układającymi się między sąsiednimi cząsteczkami wzdłuż osi a komórki elementarnej na długości komórki 3,911 A. Kryształ rośnie wzdłuż tego kierunku pakowania, dając długie igły. Maksymalna ruchliwość pola typu n zmierzona w tym kierunku wynosiła 3,39cm2/V·s. W przeciwieństwie do wielu kryształów organicznych, które są kruche i kruche, kryształ TCDAP jest bardzo elastyczny. W niniejszej pracy wykorzystano TCDAP jako kanał przewodzący i przygotowaliśmy monokrystaliczny tranzystor polowy na elastycznym podłożu z politereftalanu etylenu (PET). Ruchomość mierzono dla kryształu na płaskim podłożu, przy czym urządzenie było zgięte w kierunku elastycznego podłoża (w dół) lub wygięte w kierunku strony bramki/dielektryka (w górę). Dane I-V analizowano w oparciu o zmiany odległości układania/sprzęgania między sąsiednimi cząsteczkami.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie TCDAP12

  1. Syntezę TCDAP należy wykonać, postępując zgodnie z procedurami literaturowymi13.
  2. Oczyścić produkt TCDAP metodą sublimacji w gradimencie temperatury, z trzema strefami temperatury ustawionymi odpowiednio na 340, 270 i 250 °C, pod ciśnieniem podciśnienia 10-6 Torr12,14.

2. Hoduj monokryształy TCDAP za pomocą systemu fizycznego transferu pary (PVT)14

  1. Umieść próbkę TCDAP na jednym końcu łodzi (o długości 5 cm) i załaduj łódź do szklanej rurki wewnętrznej (o długości 15 cm i średnicy 1,2 cm).
  2. Załaduj dętkę do dłuższej szklanej rurki (83 cm długości i 2 cm średnicy) i wepchnij ją na około 17 cm od otworu.
  3. Załaduj długą szklaną rurkę do miedzianej rurki (o długości 60 cm i średnicy 2.5 cm) zamocowanej poziomo na stojaku; upewnij się, że łódź TCDAP znajduje się pośrodku obszaru grzewczego wyznaczonego przez opaskę grzewczą wokół miedzianej rury.
  4. Przepłukać instalację PVT gazowym helem o natężeniu przepływu 30 cm³/min, a następnie włączyć transformator, aby podgrzać taśmę grzewczą do 310 °C; utrzymać tę temperaturę przez dwa dni.
  5. Po schłodzeniu systemu do temperatury pokojowej należy zebrać kryształy z dętki.

3. Produkcja urządzeń

  1. Umieść przezroczyste, wstępnie pocięte podłoże PET o grubości 200 μm (2 cm x 1 cm) do fiolki i wyczyść je przez sonikację w roztworze detergentu, wodzie dejonizowanej i acetonie, kolejno, przez 30 minut każde. Wysuszyć podłoże przez przepływ azotu.
  2. Umieść taśmę dwustronną na podłożu PET.
  3. Zbadaj kryształy pod mikroskopem stereoskopowym. Do produkcji urządzenia wybierz dobrej jakości, lśniące kryształy o wymiarze ~5 mm x ~0,03 mm. Umieść przypominający igłę kryształ TCDAP równolegle do długości podłoża PET na taśmie dwustronnej i zamocuj go bezpiecznie.
  4. Pod mikroskopem stereoskopowym nanieść grafit koloidalny na bazie wody przez mikrolitrową igłę strzykawki w linii (kilka mm), która rozciąga się od dwóch końców kryształu, działając jako źródło i drenaż. Odczekaj około 30 minut, aż grafit koloidalny wyschnie i zmierz odległość między dwiema plamkami grafitu pod mikroskopem optycznym, aby określić dokładną długość kanału (utrzymuj ją na poziomie 0,6-1 mm).
  5. Użyj taśmy przewodzącej węgiel, aby przymocować podłoże PET do mikroskopijnego szkiełka. Umieść szkiełko w pobliżu końca rurki do pirolizy komory osadzania.
  6. Odważyć 0,5 g prekursora izolatora dielektrycznego, [2.2]paracyklofanu, i umieścić go w pobliżu wlotu rurki do pirolizy.
  7. Przepompuj system do próżni 10-2 Torr. Podgrzej wstępnie strefę pirolizy w pobliżu środka rurki do ustawionej temperatury 700 °C i utrzymuj w tej temperaturze.
  8. Podgrzać próbkę [2.2]paracyklofanu do temperatury 150 °C. Opary prekursora przejdą przez strefę pirolizy, aby dać monomery, które skondensują się w pobliżu końca rurki pirolitycznej w celu polimeryzacji.
  9. Pozwól reakcji pirolizy/polimeryzacji trwać przez 2 godziny.
  10. Ostudzić system i wyjąć próbki z rurki do pirolizy.
  11. Określić grubość osadzonej warstwy dielektrycznej, mierząc wysokość stopnia warstwy i podłoża za pomocą profilometru zgodnie z instrukcjami producenta.
  12. Nałożyć grafit koloidalny na bazie izopropanolu przez mikrolitrową igłę strzykawki w linii z tyłu warstwy dielektrycznej nad kryształem, aby służył jako elektroda bramkowa.

4. Zmierz wydajność urządzenia

  1. Użyj skalpela, aby wyciąć otwór w polimerowej folii dielektrycznej nad obszarem elektrody źródłowej/drenowej, aby odsłonić elektrody pod spodem w celu podłączenia.
  2. Za pomocą stojaka i zacisków doprowadź sondy elektrodowe z analizatora parametrów do kontaktu z elektrodami źródłowymi/drenowymi/bramkowymi. Zapisz charakterystyki I-V przy różnych potencjałach bramki zgodnie z instrukcjami producenta.
    Uwaga: W tym przypadku potencjały bramki są ustawiane w zakresie od -60 V do 60 V w krokach co 15 V.

5. Eksperymenty z gięciem

  1. Aby zmierzyć właściwości w stanie rozciągania, owiń tylną stronę elastycznego podłoża PET wokół cylindrów o różnych promieniach (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm i 5,8 mm) i przymocuj podłoże PET do cylindra z czterech stron za pomocą taśmy próżniowej.
  2. Podłączyć sondy do elektrod źródła/drenu/bramki i zmierzyć charakterystykę I-V przy różnych potencjałach bramki, jak opisano w 4.2.
  3. Aby dokonać pomiaru w stanie ściskającym, owiń połowę przedniej strony podłoża PET wokół końca cylindra, tak aby elektrody kryształu/źródła/drenu/bramki były skierowane w stronę cylindra, a mimo to były nadal odsłonięte. Przymocuj podłoże PET do cylindra za pomocą taśmy próżniowej (patrz rys. 5).
  4. Podłączyć sondy do elektrod źródła/drenu/bramki i zmierzyć charakterystykę I-V przy różnych potencjałach bramki, jak opisano w 4.2.
    UWAGA: Przekrojową ilustrację konstrukcji urządzenia przedstawiono na rys. 1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Analiza XRD pojedynczego kryształu ujawnia, że TCDAP jest rozszerzonym systemem π z cząsteczkami upakowanymi wzdłuż osi a. Rys. 2 przedstawia wzór skanowania za pomocą proszku XRD dla kryształu TCDAP. Obserwuje się serię ostrych pików, odpowiadających tylko rodzinie płaszczyzn (0,k,l), porównując je z wzorem dyfrakcji proszkowej kryształu. Oznaczałoby to, że struktura krystaliczna jest zorientowana tak, jak pokazano na rys. 3.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym eksperymencie na pomyślny pomiar ruchliwości z efektem pola wpływa szereg parametrów. Po pierwsze, pojedynczy kryształ powinien być wystarczająco duży, aby można go było przekształcić w urządzenie polowe do pomiaru właściwości. Metoda fizycznego transferu pary (PVT) to taka, która pozwala na hodowlę większych kryształów. Regulując temperaturę i natężenie przepływu gazu nośnego, można uzyskać kryształy o rozmiarach do pół centymetra. Po drugie, ważny jest wybór pojedynczego kryształu. Pozorny pojedynczy kryształ moż...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Ministerstwo Nauki i Technologii Tajwanu, Republiki Chińskiej poprzez grant nr 101-2113-M-001-006-MY3.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Grafit koloidalny (na bazie wody)TED PELLA,INCNO.16053
Grafit koloidalny (na bazie IPA)TED PELLA,INCNO.16051
[2.2]Paracyklofan, 99%Alfa Aesar1633-22-3
politereftalan etylenuUni-Onward
Mini-Mite 1,100 ° C Piece rurowe (jednostrefowe)Thermo ScientificTF55030A
Agilent 4156C Precyzyjny parametr półprzewodnikowyKeysightHP4156

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible Organic Transistors and Circuits with Extreme Bending Stability. Nat. Mater. 9, 1015-1022 (2010).
  2. Yang, Y., Ruan, G., Xiang, C., Wang, G., Tour, J. M. Flexible Three-Dimensional Nanoporous Metal-Based Energy Devices. J. Am. Chem. Soc. 136, 6187-6190 (2014).
  3. Zhan, Y., Mei, Y., Zheng, L. Materials Capability and Device Performance in Flexible Electronics for the Internet of Things. J. Mater. Chem. C. 2, 1220-1232 (2014).
  4. Zhang, L., Wang, H., Zhao, Y., Guo, Y., Hu, W., Yu, G., Liu, Y. Substrate-Free Ultra-Flexible Organic Field-Effect Transistors and Five-Stage Ring Oscillators. Adv. Mater. 25, 5455-5460 (2013).
  5. Jedaa, A., Halik, M. Toward Strain Resistant Flexible Organic Thin Film Transistors. Appl. Phys. Lett. 95, (2009).
  6. Nomura, K., Ohta, H., Takagi, A., Kamiya, T., Hirano, M., Hosono, H. Room-Temperature Fabrication of Transparent Flexible Thin-Film Transistors Using Amorphous Oxide Semiconductors. Nature. 432, 488-492 (2004).
  7. Sekitani, T., et al. Bending Experiment on Pentacene Field-Effect Transistors on Plastic Films. Appl. Phys. Lett. 86, 073511(2005).
  8. Tseng, C. -W., Huang, D. -C., Tao, Y. -T. Organic Transistor Memory with a Charge Storage Molecular Double-Floating-Gate Monolayer. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 9767-9775 (2015).
  9. Coropceanu, V., Cornil, J., da Silva Filjo, D. A., Olivier, Y., Silbey, R., Bredas, J. L. Charge Transport in Organic Semiconductors. Chem. Rev. 107, 926-952 (2007).
  10. Briseno, A. L., et al. High-Performance Organic Single-Crystal Transistors on Flexible Substrates. Adv. Mater. 18, 2320-2324 (2006).
  11. Tang, Q., et al. Organic Nanowire Crystals Combing Excellent Device Performance and Mechanical Flexibility. Small. 7, 189-193 (2011).
  12. Islam, M. M., Pola, S., Tao, Y. -T. High Mobility N-Channel Single-Crystal Field-Effect Transistors Based on 5,7,12,14-Tetrachloro-6,13-Diazapentacene. Chem. Commun. 47, 6356-6358 (2011).
  13. Weng, S. Z., et al. Diazapentacene Derivatives as Thin-Film Transistor Materials: Morphology Control in Realizing High-Field-Effect Mobility. ACS Appl. Mater. Interfaces. 1, 2071-2079 (2009).
  14. Kloc, C., Simpkins, P. G., Siegrist, T., Laudise, R. A. Physical Vapor Growth of Centimeter-Sized Crystals of Α-Hexathiophene. J. Cryst. Growth. 182, 416-427 (1997).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Elastyczne tranzystory organiczneefekty zginaniaruchliwo adunk wupakowanie kryszta wmonokryszta TCDAPcharakterystyka efektu polowegozginanie pod o asprz enie elektronoweodwracalna ruchliwokrzywizna zginania

Powiązane artykuły