Summary
Dette håndskrift beskriver bøjningsprocessen af en organisk enkelt krystal-baserede felteffekttransistor at opretholde en fungerende anordning til elektronisk ejendom måling. Resultaterne antyder, at bøjning forårsager ændringer i det molekylære afstand i krystallen og dermed i ladningen humletilsætningen, hvilket er vigtigt i fleksible elektronik.
Abstract
Afgiften transport i en organisk halvleder afhænger i høj grad på det molekylære pakning i krystallen, som påvirker den elektroniske kobling uhyre. Men i bløde elektronik, hvori organiske halvledere spiller en afgørende rolle, de enheder vil blive bøjet eller foldet gentagne gange. Virkningen af bøjning på krystalpakning og dermed ladningstransport er afgørende for anordningens ydeevne. I dette manuskript, beskriver vi protokollen til at bøje en enkelt krystal af 5,7,12,16-tetrachlor-6,13-diazapentacene (TCDAP) i felt-effekt transistor konfiguration og for at opnå reproducerbare IV egenskaber ved bøjning krystal. Resultaterne viser, at bøjning af en felteffekttransistor fremstillet på et fleksibelt substrat resulterer i næsten reversible endnu modsatrettede tendenser i charge mobilitet, afhængigt af bøjeretningen. De mobilitet øges, når enheden er bøjet mod toppen gate / dielektriske lag (opad, komprimerende tilstand) og falder, når værent mod krystal / substrat side (nedad, trækstyrke tilstand). Effekten af at bøje krumning blev også observeret, med større mobilitet forandring som følge af højere bøjning krumning. Det foreslås, at de intermolekylære π-π distance ændringer efter bøjning, og derved påvirke den elektroniske kobling og den efterfølgende transportør transport evne.
Introduction
Bløde elektroniske enheder, såsom sensorer, displays og bærbare elektronik, er ved at blive udviklet og forsket mere aktivt, og mange har endda været lanceret på markedet i de seneste år 1,2,3,4. Organiske halvledende materialer spiller en vigtig rolle i disse elektroniske indretninger på grund af deres iboende fordele, herunder lave omkostninger udvikling, evnen fremstilles i opløsning eller ved lave temperaturer, og navnlig, når deres fleksibilitet sammenlignet med uorganiske halvledere 5,6. Et særligt hensyn til disse elektronik er, at de vil blive udsat for hyppige bøjning. Bending introducerer stammen i komponenter og materialer i apparatet. En stabil og ensartet ydelse er påkrævet som sådanne anordninger er bøjet. Transistorer er en vital komponent i de fleste af disse elektronik, og deres præstationer under bøjning er af interesse. En række undersøgelser har behandlet dette problem med ydeevnen ved at bøje økologisk thin film transistorer 7,8. Mens ændringerne i konduktans upon bøjning kan tilskrives ændringer i afstanden mellem kornene i en polykrystallinsk tynd film, en mere grundlæggende spørgsmål er, om ledningsevnen kan ændre sig inden for en enkelt krystal ved bøjning. Det er godt accepteret, at opladning transport mellem organiske molekyler afhænger stærkt af elektronisk kobling mellem molekyler og reorganisering energi involveret i omdannelse mellem de neutrale og ladede stater 9. Elektronisk kobling er yderst følsomme over for afstanden mellem tilstødende molekyler og til overlapning af avancerede molekylære orbitaler. Bøjningen af et velordnet krystal indfører stamme og kan ændre den relative position af molekyler i krystallen. Dette kan testes med et enkelt krystal-baserede felteffekttransistor. En rapport anvendte enkelte krystaller af rubrene på et fleksibelt substrat at undersøge virkningen af krystal tykkelse ved bøjning 10. delaster med kobber phthalocyanin nanotråd krystaller forberedt på et fladt underlag, viste sig at have en højere mobilitet ved bøjning 11. Imidlertid har de egenskaber for en FET enhed bøjet i forskellige retninger ikke er blevet udforsket.
Molekylet 5,7,12,16-tetrachlor-6,13-diazapentacene (TCDAP) er en n-type halvleder materiale 12. Krystallen ifølge TCDAP har en monoklin pakning motiv med forskudt π-π stabling mellem nabomolekyler langs en akse af enheden celle på en celle længde på 3,911 Å. Krystallen vokser langs denne pakning retning til opnåelse lange nåle. Den maksimale n-type felt-effekt mobilitet målt langs denne retning nåede 3,39 cm2 / V-sek. I modsætning til mange organiske krystaller, som er skøre og skrøbelige, er TCDAP krystal fundet at være meget fleksibel. I dette arbejde, vi brugte TCDAP som den ledende kanal og forberedte enkelt krystal felt-effekt-transistor på en fleksibel substrat of polyethylenterephthalat (PET). Mobilitet blev målt for krystallen på et fladt underlag, med enheden bøjet mod det fleksible substrat (nedad) eller bøjet mod porten / dielektriske side (opad). IV Data blev analyseret på grundlag af ændringer i stabling / kobling afstand blandt de tilstødende molekyler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af TCDAP 12
- Syntetisere TCDAP ved at følge litteraturprocedurer 13.
- Oprens TCDAP produkt af temperatur-gradient sublimering metode, med de tre temperaturzoner fastsat til 340, 270, og 250 ° C, henholdsvis under et vakuumtryk på 10 -6 Torr 12,14.
2. Dyrk Enkelte Krystaller af TCDAP Ved hjælp af en Physical Vapor Transfer (PVT) System 14
- Sætte TCDAP prøve ved den ene ende af en båd (5 cm lang) og indlæse båden i et glas indre rør (15 cm lang med en diameter på 1,2 cm).
- Indlæse indre rør ind i et længere glasrør (83 cm lang og 2 cm i diameter) og skubbe den ind på omkring 17 cm fra åbningen.
- Læg den lange glasrør i et kobberrør (60 cm lang og 2,5 cm i diameter) vandret fastgjort på et stativ; Sørg båden af TCDAP ligger i midten af opvarmningen er defineret af en opvarmning band around kobberrøret.
- Rense PVT-system med helium gas ved en flowhastighed på 30 cc / min, og tænd derefter transformeren til at varme op opvarmning bandet til 310 ° C; holdes ved denne temperatur i to dage.
- Efter afkøling af systemet til stuetemperatur, indsamle krystallerne fra det indre rør.
3. Enhed Fabrication
- Sætte en 200 um tykt, transparent, pre-cut PET-substrat (2 cm x 1 cm) i et hætteglas og rense det ved sonikering i detergentopløsning, deioniseret vand og acetone, i rækkefølge, i 30 minutter hver. Tør substratet med nitrogenstrøm.
- Placer dobbeltklæbende tape på PET-substrat.
- Undersøg krystallerne under et stereomikroskop. Vælg god kvalitet, skinnende krystaller med en dimension på ~ 5 mm x ~ 0,03 mm for enhed fabrikation. Placer en nål-lignende TCDAP krystal parallelt med længden af PET substrat på dobbeltklæbende tape og ordne det forsvarligt.
- Under et stereomikroskop, gælder water-baserede kolloid grafit gennem en mikroliter sprøjte nål i en linje (flere mm), der strækker sig fra de to ender af krystallen fungerer som kilde og dræn. Vente i ca. 30 minutter for kolloid grafit til at tørre og måle afstanden mellem de to grafit pletter under et optisk mikroskop for at bestemme den nøjagtige kanal længde (holde det på 0,6-1 mm).
- Brug kulstof ledende tape til at fastgøre PET substrat på en mikroskopisk dias. Anbring objektglasset nær slutningen af pyrolysen rør af pådampningskammeret.
- Afvej 0,5 g af forstadiet af det dielektriske isolator, [2.2] paracyclophan, og placere den i nærheden af indløbet til pyrolyse rør.
- Pump down systemet til et vakuum på 10 -2 Torr. Forvarm pyrolysezonen nær centrum af røret op til en forudindstillet temperatur på 700 ° C og holdes ved denne temperatur.
- Opvarmning af [2.2] paracyclophan prøven til 150 ° C. Dampene af forstadiet vil passere gennem pyrolysezonenat give de monomerer, som vil kondenserer nær slutningen af pyrolysen røret for at polymerisere.
- Lad pyrolysen / polymerisationsreaktionen fortsætte i 2 timer.
- Køl ned i systemet og tage ud prøverne fra pyrolyse røret.
- Bestemmelse af tykkelsen af det afsatte dielektriske lag ved at måle trinhøjde på laget og underlaget med en profilometer ifølge producentens anvisninger.
- Påfør isopropanol-baseret kolloid grafit gennem en mikroliter sprøjte nål i en linje på bagsiden af det dielektriske lag over krystal til at tjene som gate-elektroden.
4. Mål for udøvelsen af Device
- Brug skalpel til at skære et hul gennem den polymere dielektrisk film over kilden / drain-elektrode område for at blotlægge elektroderne nedenunder for tilslutning.
- Med hjælp fra en stand og klemmer, bringe elektrode sonder fra Parameter Analyzer i kontakt medde kilde / dræn / gate-elektroder. Registrerer IV egenskaber ved forskellige gate potentialer ifølge producentens anvisninger.
Bemærk: Her er de gate potentialer indstilles fra -60 V til 60 V ved 15 V trin.
5. Bukning Eksperimenter
- For at måle egenskaberne i træk tilstand, wrap bagsiden af fleksible PET substrat omkring cylindre med forskellige radier (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm, og 5,8 mm) og løse PET substrat til cylinderen på fire sider med vakuum tape .
- Tilslut sonder til kilden / afløb / gate-elektroder og måle IV egenskaber ved forskellige gate potentialer, som beskrevet i 4.2.
- For at måle i kompressionskraft tilstand, wrap halvdelen af forsiden af PET substrat omkring enden af en cylinder, således at krystal / kilde / dræn / gateelektroder står cylinderen og alligevel stadig udsat for. Fastgør PET substrat på cylinderen med vakuum tape (se fig. 5
- Tilslut sonder til kilden / afløb / gate-elektroder og måle IV egenskaber ved forskellige gate potentialer, som beskrevet i 4.2.
BEMÆRK: En tværsnitsafbildning af indretningen struktur er vist i fig. 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den enkelt krystal XRD analyse afslører, at TCDAP er en udvidet π-system med molekyler pakning langs en akse. Fig. 2 viser scanningen mønster ved pulver XRD for en TCDAP krystal. observeres en række skarpe toppe, svarende kun til familien af (0, k, ℓ) fly, ved sammenligning med pulver-diffraktionsmønster af krystallen. Dette ville indebære, at krystalstrukturen er orienteret som vist i fig. 3.
Før bøjning, den flade n-type TCDAP enkelt-krystal transistor gav godt løst mætning strømme kun for positive gate spænding (V GS) når porten spænding blev varieret fra -60 V til 60 V i 15 V trin. Dette tyder n-type adfærd (fig. 4a). Fig. 4b viser både log (blå linje) og parcellerne lineær (sort linje) af afløbet strøm som en funktion source-drain bias (V DS) på en gate bias på 30 V.
Den elektron mobilitet blev beregnet ud fra IV egenskaber i den lineære ordning ifølge ligningen,
eller i mættede regime ifølge ligningen,
hvor W er kanalbredden, L er den kanal længde, m er bærer mobilitet, Ci er kapacitansen per arealenhed af det dielektriske isolator, og V TH er tærskelspændingen hhv.
En gennemsnitlig mobilitet på 1,42 cm2 / V-sek ogen on / off forhold på 10 3 -10 4 blev opnået.
For bøjning eksperiment, bøjning af enderne nedadgående bør inducere en strækning af ledningen kanal nær kanalen / dielektriske grænseflade, således at dette, defineres som en "trækstyrke" tilstand (se fig. 5a), hvorimod bøjning af enderne opad vil inducere en komprimering af den ledende kanal og er således defineret som den "kompressionskraft" tilstand (se fig. 5b). IV udstyrets karakteristika i sin flade tilstand blev kontrolleret efter modstående bukkeoperationer til den buede tilstand, med en radius R = 14,0 mm; off-strøm næsten ændrede ikke (se fig. 6). Dette tjente til at angive, at enheden struktur er gendannes og at anordningen ikke blev ødelagt ved bøjning i forskellige retninger. Dernæst blev IV målt ved den bøjede tilstand for træk- tilstand. Som vist i fig. 7a </ Strong>, den nuværende faldt med bøjning, mere så med mere bøjning (mindre radius). Den beregnede mobilitet blev afbildet som en funktion af radius af bøjning. Som vist i fig. 8a, er der en klar tendens til nedsat bevægelighed med øget bøjning. Således er en nedadrettet bøjning ved R = 14,0 mm forårsagede en nedsættelse af mobilitet ved 6,25%. reduktioner mobilitet ved 12,5%, 25% og 37,5% for bøjningsradier på 12,4 mm, 8,0 mm, og 5,8 mm, henholdsvis blev observeret. I modsætning hertil, når anordningen er bøjet opad (kompressionskraft tilstand) ved R = 14,0 mm, blev der observeret en lille forskydning i den lineære IV kurve, med en øget skift bøjning forøget (fig. 7b). Den beregnede mobilitet baseret på skråningen af kurverne steg med 5,5%, 12,8%, 15,2% og 19,8% for bøjet radier på 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm, og 5,8 mm, (fig. 8b).
I en bøjet krystal, forskellige sider opleve forskellige stog. På den konkave side, er molekylerne komprimeres, og på den konvekse side, molekylerne spredes fra hinanden, i et omfang afhængigt af kurven. Således er den opadgående og nedadgående bøjning af krystal resultat i kompression og spredning af molekylerne, henholdsvis ved gaten dielektriske grænseflade, hvilket giver en stigende og faldende elektronisk kobling hhv.
Ladningsbærerne i en transistor er kendt for at være inden for flere monolag af den dielektriske overflade, og mobiliteten er væsentligst påvirket af de umiddelbare lag ved siden af det dielektriske lag. I det aktuelle tilfælde, bør den stigende mobilitet i komprimerende tilstand og faldende mobilitet i træk- tilstand sandsynligvis skyldes ændringen i intermolekylære afstand i krystal. Vores resultater vidner yderligere til betydningen af elektronisk kobling som funktion af intermolekylær afstand. I en tynd film enhed med polykrystallinske korn, hvorkrystaller kan ikke være så stor, som vi anvendt i disse eksperimenter, kan afstanden mellem kornene også blive påvirket af bøjning, hvorved der genereres lignende resultater.
Figur 1. tværsnitsillustration af top-contact enkelt krystal felteffekttransistor fremstillet på et fleksibelt substrat. De kilde / dræn / gateelektroder blev fremstillet fra kolloid grafit, hvorimod den dielektriske isolator blev fremstillet ud fra pyrolyse af [2,2] paracyclophan forløber. klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Pulver-røntgendiffraktion mønster af TCDAP single krystal lagt på PET substrat. Toppene blev indekseret til familien af (0, k, l) fly. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Skematiske illustrationer af afgiften transport vej. Afgiften transport langs en akse, med (0,1,1) plan (rød plan) parallelt med underlaget (blå planet). Klik her for at se en større version af dette tal .
Figur 4. I DS -V DS egenskaber. (a) output karakteristika med gate spænding varierede fra -60 V til 60 V i 15 V trin og (b) overførslen egenskaber, som viser både log (blå linje) og lineær (sort linje) afbildninger af dræne strøm som en funktion af source-drain bias (V DS) ved en gate skævhed på 30 V for en TCDAP enkelt krystal felt-effekt transistor (SCFET) på en PET-substrat, før bøjning. klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5. Skematiske illustrationer af de bøjning eksperimenter. (A) Den opadgående bøjning tilstand, med kanten af underlaget viklet rundt om en cylinder, mens enheden del er udsat for, og (b) den nedadgående bøjning state, med underlaget viklet rundt om en cylinder. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Sammenligning af overførsel egenskaber TCDAP enkelt krystal-baserede FET enhed. Før og efter (a) nedad bøjning og (b) opad bøjning første gang og fjerde gang til en krumning R = 14,0 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. En overlay af transfer karakteristika the TCDAP enkelt krystal-baserede FET enhed. Bent tilstand for (a) nedad bøjning, og (b) opad bøjning i forskellige bøjningsradier (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm, og R = 5,8 mm) . klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Målt mobilitet som funktion af bøjningsradius for TCDAP enkelt krystal-baseret enhed. (A) Nedadgående bøjning. (B) Opadgående bøjning. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I dette eksperiment blev en række parametre påvirker den vellykkede måling af felt-effekt mobilitet. For det første bør den enkelt krystal være store nok til at være fremstillet i et felt-effekt indretning med bolig måling. Den fysiske dampoverførsel (PVT) metode er den, der tillader større krystaller, der skal dyrkes. Ved at justere temperaturen og strømningshastigheden af bæregassen, krystaller af størrelser op til kan opnås en halv centimeter. For det andet, at valget af en enkelt krystal er vigtig. En tilsyneladende enkelt krystal kan indeholde bundter af krystaller, og bøjning kan forårsage forstille af bundterne. Således er en tyndere krystal foretrækkes. For det tredje, fordoblet tape er nødvendigt for at holde krystal i konstant kontakt med underlaget overflade, som omfattende forsøg viste, at uden en sådan tape, kan kontakterne mellem krystal og det dielektriske lag og / eller elektroden skifte på flere bøjning operationer, så at kontakten resistens øger ennd ustabile eller reproducerbare strømmålinger opnås. Et andet spørgsmål er at opnå den kompressionskraft tilstand, når enderne af krystal er bøjet opad. Hvis indpakningen det fleksible substrat omkring en cylinder med korrekt diameter, krystallen / kilde / dræn / gate skal være tilgængeligt med proberne. Dette gøres ved at vikle kanten af det fleksible PET substrat rundt om enden af cylinderen, således at kilden / drain / gateområdet eksponeres og tilgængelige til proberne og samtidig opretholde den buede substrat.
Med hensyn til dataanalyse, erkendes det, at bøjning af det fleksible substrat kan forårsage en ændring i tykkelsen af det dielektriske lag og i kapacitans. Selv om denne mulige ændring ikke i betragtning ved beregning af mobiliteten, bemærkes det, at denne ændring bør være uafhængig af retningen af bøjningen. den modsatte tendens i ændringer mobilitet bør dog fjerne muligheden for ændringer mobilitet være grund til than kapacitansændringen. Kvaliteten af en enkelt krystal vil have indflydelse på de målte mobilitet. For dataene vist i figur 8, blev en stor forskel i mobilitet observeret for de to krystaller, formodentlig på grund af kvaliteten af de valgte krystaller. Ikke desto mindre, tendenserne i mobilitet ændring på bøjning, som er af stor bekymring i dette arbejde, danner grundlag for de konklusioner, der er afledt af forsøgene.
I modsætning til den nuværende teknologi 11, hvor en krystal er først bøjet og derefter placeret på en flad substrat til måling, vores fremgangsmåde tillader måling af strømmen i træk- tilstand samt den kompressionskraft tilstand. I den tidligere teknik, kun den strøm, der passerer gennem den korteste vej, det vil sige, den kompressionskraft tilstand, kan måles. Denne metode giver en række elektriske egenskaber, der skal måles direkte på fleksible substrater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible Organic Transistors and Circuits with Extreme Bending Stability. Nat. Mater. 9, 1015-1022 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jedaa, A., Halik, M. Toward Strain Resistant Flexible Organic Thin Film Transistors. Appl. Phys. Lett. 95, (2009).
- 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).
- Sekitani, T., et al. Bending Experiment on Pentacene Field-Effect Transistors on Plastic Films. Appl. Phys. Lett. 86, 073511 (2005).
- 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).
- 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).
- Briseno, A. L., et al. High-Performance Organic Single-Crystal Transistors on Flexible Substrates. Adv. Mater. 18, 2320-2324 (2006).
- Tang, Q., et al. Organic Nanowire Crystals Combing Excellent Device Performance and Mechanical Flexibility. Small. 7, 189-193 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
