Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
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Protocol
TCDAP 12 1. 준비
- 문학 절차 (13)에 따라 TCDAP을 합성.
- 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.
2. TCDAP 물리적 증기 전송을 사용하여 (PVT) 시스템 (14)의 단결정을 성장
- (1.2 cm 직경으로 15 cm 길이) (5 cm 길이) 보트의 일단에 TCDAP 샘플을 넣어 유리 내통에 보트 로딩.
- 긴 유리 (83cm 길이 직경 2cm) 튜브 내부 튜브를로드하고 개방에서 약 17cm에 밀어 넣습니다.
- (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.
- 은 30cc / 분의 유량으로 헬륨 가스로 PVT 시스템을 제거하고 310 ℃로 가열 대역을 데워 변압기 켜; 이틀 동안이 온도에서 유지한다.
- 실온으로 시스템을 냉각시킨 후, 내부 튜브의 결정을 수집한다.
3. 디바이스 제조
- 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.
- 애완 동물 기판에 양면 테이프를 놓습니다.
- 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.
- 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.
- 현미경 슬라이드에 PET 기판을 해결하기 위해 탄소 전도성 테이프를 사용합니다. 성막 실의 열분해 반응 관의 끝 부분에 슬라이드를 놓는다.
- 유전 절연체의 전구체 0.5 g, [2.2] paracyclophane의 무게를 측정하고, 열분해 관의 입구 근처에 배치합니다.
- 10-2 Torr의 진공 시스템을 펌프. 700 ℃의 사전 설정된 온도로 상기 튜브 위로의 중심 근처 열분해 영역을 미리 가열하고,이 온도에서 유지한다.
- 150 °의 C에 [2.2] paracyclophane 샘플을 가열. 전구체의 증기는 열분해 구역을 통과하게중합 열분해 관의 끝 부분에 응축 단량체를 얻었다.
- 열분해 / 중합 반응을 2 시간 동안 계속하자.
- 시스템을 냉각 및 열분해 튜브에서 샘플을 꺼내.
- 층의 단차를 측정하고, 기판은 제조자의 지시에 따라 프로파일로 미터를 이용하여 증착 된 유전체 층의 두께를 결정한다.
- 게이트 전극의 역할을하는 결정 상기 유전체층의 뒷면에 광고의 마이크로 리터 주사기 바늘을 이소프로판올 계 콜로이드 흑연을 적용한다.
4. 장치의 성능을 측정
- 접속 용의 아래에 전극을 노출시키기 위해 상기 소오스 / 드레인 전극 영역 위에 폴리머 유전체 막의 구멍을 잘라 메스를 사용한다.
- 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.
5. 굽힘 실험
- 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 .
- 소스 / 드레인 / 게이트 전극에 프로브를 연결하고, 4.2에 기재된 바와 같이 상이한 게이트 전위의 IV 특성을 측정한다.
- 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)
- 소스 / 드레인 / 게이트 전극에 프로브를 연결하고, 4.2에 기재된 바와 같이 상이한 게이트 전위의 IV 특성을 측정한다.
주 : 디바이스 구조의 단면도는도 그림에 도시되어있다. 1.
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Representative Results
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 n 형의 거동을 의미한다. 도 4b는 로그 (청색 라인)와 기능 소스 - 드레인 (B)와 같은 드레인 전류의 선 (검은 선) 플롯 모두 도시V. 30의 게이트 바이어스에서 IAS (V DS)
전자 이동은 방정식에 따라 선형 체제의 IV 특성을 산출하고,
또는 포화 체제의 방정식에 따라,
W는 채널 폭이고, L은 C 나 유전 절연막의 단위 면적당 캐패시턴스, 채널 길이, m은 캐리어 이동도이며, 그리고 V TH 각각 임계 전압이다.
1.42 cm 2 / V의 평균 이동 · 초와10 (3) -10 (4)의 ON / OFF 비가 얻어졌다.
단부의 굽힘 상향 유도하는 반면이 상기 "인장"상태로 정의되도록 굽힘 실험을 위해, 양단의 굽힘 하향 채널 / 유전체 인터페이스 근처에서 전도 채널의 스트레칭을 유도한다 (도.도 5a 참조) 상기 전도성 채널의 압축 따라서 "압축"상태로 정의된다 (도 1 참조. 5B). 평평한 상태에서 장치의 IV 특성은 반경 R = 14.0 mm로 휘어진 상태로 대향 굽힘 동작 후에 조사 하였다; 오프 전류는 거의 (그림을 참조하십시오. 6)을 변경하지 않았다. 이 소자 구조는 복원 가능한 것으로하고, 장치가 상이한 방향으로 굽힘에 파괴되지 않았 음을 나타 내기 위해 제공. 다음으로, IV는 인장 상태에 대한 만곡 상태에서 측정 하였다. 도에 도시 된 바와 같이. 도 7a </ strong>을, 현재보다 굽힘 (작은 반경) 더 많은 그래서, 굴곡 감소 하였다. 계산 된 이동도 굽힘 반경의 함수로서 플롯 팅 하였다. 도에 도시 된 바와 같이. 도 8a 증가 굽힘으로 감소 이동성의 명확한 경향이있다. 따라서, R = 14.0 mm에서 아래로 굴곡은 6.25 %로 이동성의 감소가 발생했습니다. 12.5 %, 25 %, 12.4 mm, 8.0 mm, 5.8 mm에 반경 벤딩 37.5 %의 이동성 감소가 각각 관찰되었다. R = 14.0 mm의 장치 상방 (압축 상태) 구부러져 대조적으로, 선형 IV 곡선에 약간의 변화가 증가 굽힘 증가 시프트 관찰 하였다 (도. 7B). 각각 14.0 mm 12.4 mm, 8.0 mm, 5.8 mm의 굴곡 반경을 5.5 %, 12.8 %, 15.2 % 및 19.8 %만큼 증가 곡선의 기울기에 기초하여 산출 된 이동도 (도. 8B).
구부러진 결정에서, 다른 측면은 다른의를 경험열차. 오목한 측면에서, 분자는 압축되고, 상기 볼록면에, 분자는 곡률에 따라 어느 정도 벌리. 이에 따라, 각각 증가 및 감소하는 전자 결합을주는 게이트 유전체 인터페이스에서의 압축 및 각각의 분자의 확산에 결정 결과의 상하 굴곡,.
다음, 유전체 층, 트랜지스터의 전하 캐리어는 유전체 표면의 여러 단층 내에있는 것으로 알려져 있고, 이동은 주로 즉각적인 층에 의해 영향을 받는다. 현재의 경우, 인장 상태에서 압축 상태에서 증가 이동성 및 감소 이동성은 대부분 결정 내에서 분자간 간격의 변화에 기인해야한다. 우리의 결과는 상기 분자간 거리의 함수로서, 전자 결합의 중요성을 증거. 다결정 입자는 함께 박막 디바이스에서는결정 우리는이 실험에서 사용한 크지 않을 수 있으며, 입자 간의 거리도 그에 유사한 결과를 생성하는 굽힘에 의해 영향을받을 수있다.
유전체 절연체은 [2.2]의 열분해로 제조 된 반면, 플렉시블 기판 상에 제조 된 상부 접촉 단결정 전계 효과 트랜지스터도 1 횡단면 션이. 소스 / 드레인 / 게이트 전극은 콜로이드 흑연 제조 하였다 paracyclophane 전구체. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
TCDAP의 Si를도 2의 분말 X 선 회절 패턴애완 동물 기판에 누워 ngle 결정이. 피크 (0, K, ℓ)면의 가족에 연동되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 전하 수송 경로의 개략도. ㄱ 축을 따라 전하 수송, 기판 (파란색면)에 (0,1,1)면 (빨간색면) 평행. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 4. I DS -V DS 특성. (a) 15 V 스텝과 60 V -60 V에서 다양한 게이트 전압과 출력 특성 (b)를 로그 (청색 선) 및 선형 (검은 선)를 모두 보여 전송 특성의 플롯 굽힘 전에 PET 기판 상에 TCDAP 단결정 전계 효과 트랜지스터 (SCFET) 30 V의 게이트 바이어스에서 소스 - 드레인 바이어스의 함수 (V DS)와 같은 드레인 전류. 이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 그림.
도 굽힘 실험 5 개략도이다. (a) 상향 굴곡 상태 디바이스 부분이 노출 된 상태에서 실린더를 감싸 기판의 에지와 (b)는 하향 절곡 STA와테, 실린더 감싸 기판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
TCDAP 단결정 기반 FET 디바이스의 전달 특성 그림 6. 비교. 전후의 (a) 아래로 굴곡 및 (b) 위로 처음과 곡률 R = 14.0 mm로 네 번째 시간을 굽힘. 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.
도 7 번째의 전송 특성 오버레이E TCDAP 단결정 계 FET 소자. (a) 하방으로 절곡하고, (b) 상측 상이한 굽힘 반경의 굽힘 구부러진 상태 (R = 14.0 mm, R = 12.4 mm, R = 8.0 mm, 및 R = 5.8 mm) . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8은 TCDAP 단결정 기반 장치의 곡률 반경의 함수로서 이동도를 측정 하였다. (a) 하향 절곡. (b)의 상향 절곡입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
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 / 드레인 / 게이트는 프로브에 의해 접근 할 수있다. 만곡 된 기판을 유지하면서 소스 / 드레인 / 게이트 영역이 노출되고, 프로브가 액세스되도록 이는 실린더의 단부 주위에 유연한 PET 기판의 가장자리에 배치하여 이루어진다.
데이터 분석의 관점에서,가요 성 기판의 휨하는 유전체층의 두께와 커패시턴스의 변화를 일으킬 수 있음을 인정한다. 이러한 가능한 변화는 이동성의 계산에서 고려되지는 않지만,이 변화는 절곡 방향으로 독립적이어야한다는 것을 유의해야한다. 그러나, 이동도의 변화에 반대 경향 T로 인한 것으로서 이동성 변화의 가능성을 제거한다그는 변화를 용 용량. 단결정의 품질은 측정 된 이동성에 더 영향을 미칠 것이다. 도 8에 도시 된 데이터의 경우, 이동성 폭 차이는 아마도 의한 선택 결정의 품질은 두 결정이 관찰되었다. 그럼에도 불구하고,이 작품의 주요 관심사이다 굽힘시 이동성 변화의 경향은 실험에서 도출 된 결론의 기초를 형성한다.
결정은 제 절곡하고 측정하기위한 평면 기판 상에 배치되어 현재의 기술 (11)과는 대조적으로, 우리의 방법은 인장 상태에서 전류의 측정뿐만 아니라, 압축 상태를 허용한다. 이전의 기술에서, 최단 경로를 통해 흐르는 전류 만이, 즉, 압축 상태가 측정 될 수있다. 이 방법은 전기적 특성의 다양한이 유연한 기판에 직접 측정 할 수 있습니다.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Colloidal Graphite (water-based) | TED PELLA,INC | NO.16053 | |
| Colloidal Graphite (IPA-based) | TED PELLA,INC | NO.16051 | |
| [2.2]Paracyclophane, 99% | Alfa Aesar | 1633-22-3 | |
| polyethylene terephthalate | Uni-Onward | ||
| Mini-Mite 1,100 °C Tube Furnaces (Single Zone) | Thermo Scientific | TF55030A | |
| Agilent 4156C Precision Semiconductor Parameter | Keysight | HP4156 |
References
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