Summary
Ce manuscrit décrit le processus de pliage d'un transistor organique unique à base de cristal à effet de champ pour maintenir un dispositif de fonctionnement pour la mesure de la propriété électronique. Les résultats suggèrent que les causes de flexion des changements dans l'espacement moléculaire dans le cristal et donc de la vitesse de saut de charge, ce qui est important dans l'électronique flexible.
Abstract
Le transport de charges dans un semiconducteur organique dépend fortement de la compactation moléculaire dans le cristal, ce qui influence le couplage électronique énormément. Cependant, dans l'électronique mous, dans laquelle les semi-conducteurs organiques jouent un rôle essentiel, les dispositifs seront pliées ou pliées de manière répétée. L'effet de flexion sur l'emballage du cristal et donc le transport de charges est cruciale pour les performances de l'appareil. Dans ce manuscrit, nous décrivons le protocole à plier un seul cristal de 5,7,12,16-tétrachloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) dans la configuration du transistor à effet de champ et d'obtenir des caractéristiques IV reproductibles lors d'une flexion du cristal. Les résultats montrent que la flexion d'un transistor à effet de champ préparé sur un des résultats flexibles de substrat dans les tendances opposées encore près réversibles dans la mobilité de charge, en fonction de la direction de flexion. Les augmentations de mobilité lorsque le dispositif est courbé vers le haut de grille / couche diélectrique (vers le haut, l'état de compression) et diminue quand êtrent vers le côté cristal / substrat (vers le bas, l'état de traction). L'effet de flexion courbure a également été observée, avec un plus grand changement de mobilité résultant de plus la courbure de flexion. Il est suggéré que les modifications de la distance intermoléculaire π-π lors d'une flexion de, influençant ainsi le couplage électronique et la capacité de transport du transporteur ultérieur.
Introduction
Dispositifs électroniques souples, tels que les capteurs, les affichages et l' électronique portable, sont actuellement conçus et étudiés plus activement, et beaucoup ont même été lancés sur le marché au cours des dernières années 1,2,3,4. Matériaux semi - conducteurs organiques jouent un rôle important dans ces dispositifs électroniques en raison de leurs avantages inhérents, y compris le coût de développement faible, la capacité à préparer en solution ou à de basses températures et, en particulier, leur flexibilité par rapport aux semi - conducteurs inorganiques 5,6. Une attention particulière pour ces appareils électroniques est qu'ils seront soumis à une flexion fréquente. Bending introduit la contrainte dans les composants et les matériaux dans le dispositif. Une performance stable et cohérente est nécessaire que de tels dispositifs sont recourbées. Transistors sont une composante essentielle dans la plupart de ces appareils électroniques, et leur performance en flexion est d'intérêt. Un certain nombre d'études ont abordé cette question de la performance en flexion organique tle film hin transistors 7,8. Bien que les changements de la conductance sur la flexion peuvent être attribuées aux changements de l'espacement entre les grains dans un film mince polycristallin, une question plus fondamentale à poser est de savoir si la conductance peut changer dans un cristal unique lors d'une flexion. Il est bien admis que le transport de charge entre les molécules organiques dépend fortement de couplage électronique entre les molécules et l'énergie de réorganisation impliqués dans l'interconversion entre les Etats neutres et chargées 9. couplage électronique est très sensible à la distance entre les molécules voisines et le chevauchement des orbitales moléculaires frontières. Le pliage d'un cristal bien ordonnée présente souche et peut changer la position relative des molécules dans le cristal. Cela peut être testé avec un seul transistor à effet de champ à base de cristal. Un rapport a utilisé des monocristaux de rubrène sur un substrat flexible pour étudier l'effet de l' épaisseur de cristal lors d'une flexion 10. devices avec des cristaux de nanofils de phtalocyanine de cuivre préparés sur un substrat plat ont été montré pour avoir une plus grande mobilité à la flexion 11. Cependant, les propriétés d'un dispositif plié FET dans des directions différentes ont pas été explorées.
La molécule 5,7,12,16-tétrachloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) est un matériau semi - conducteur de type n 12. Le cristal de TCDAP a un motif d'emballage monoclinique empilage décalé π-π entre les molécules voisines le long de l'axe de la cellule unitaire à une longueur de cellule de 3,911 Å. Le cristal se développe le long de cette direction d'emballage pour donner de longues aiguilles. La mobilité à effet de champ de type n de mesure maximale dans cette direction a atteint 3,39 cm 2 / V · s. Contrairement à de nombreux cristaux organiques qui sont cassants et fragiles, le cristal de TCDAP se trouve être très flexible. Dans ce travail, nous avons utilisé TCDAP comme canal conducteur et préparé le transistor à effet de champ monocristallin sur un substrat flexible of polyéthylène téréphtalate (PET). La mobilité a été mesurée pour le cristal sur un substrat plat, avec le penchant de l' appareil vers le substrat flexible (vers le bas) ou courbé vers la porte / côté diélectrique (vers le haut). Les données IV ont été analysés sur la base de l'évolution de la distance empilement / couplage entre les voisins molécules.
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Protocol
1. Préparation de 12 TCDAP
- Synthétiser TCDAP en suivant les procédures de la littérature 13.
- Purifier le produit TCDAP par le procédé de sublimation gradient de température, les trois zones de température fixées à 340, 270, et 250 ° C respectivement sous une pression de vide de 10 -6 Torr 12,14.
2. Cultivez monocristaux de TCDAP Utilisation d' un transfert de vapeur physique (PVT) Système 14
- Mettre l'échantillon TCDAP à une extrémité d'un bateau (5 cm de long) et de charger le bateau dans un tube interne en verre (15 cm de long avec un diamètre de 1,2 cm).
- Chargez le tube intérieur dans un tube de verre plus (83 cm de long et 2 cm de diamètre) et le pousser dans environ 17 cm de l'ouverture.
- Charger le long tube de verre dans un tube de cuivre (60 cm de long et 2,5 cm de diamètre) fixés horizontalement sur un support; assurez-vous que le bateau de TCDAP est situé au milieu de la zone de chauffage définie par un ar bande de chauffageound le tube de cuivre.
- Purger le système de PVT avec de l'hélium gazeux à un débit de 30 cc / min, puis tourner sur le transformateur pour chauffer la bande de chauffage à 310 ° C; maintenir à cette température pendant deux jours.
- Après avoir refroidi le système à température ambiante, récupérer les cristaux à partir du tube intérieur.
Fabrication 3. Device
- Mettez un 200 um d'épaisseur, transparent, substrat prédécoupé PET (2 cm x 1 cm) dans un flacon et le nettoyer par sonication dans une solution de détergent, de l'eau déminéralisée, et de l'acétone, en séquence, pendant 30 minutes chacun. Sécher le substrat par un flux d'azote.
- Placez ruban adhésif double face sur le substrat PET.
- Examiner les cristaux sous un stéréomicroscope. Sélectionnez la bonne qualité, brillant cristaux avec une dimension de ~ 5 mm x ~ 0,03 mm pour la fabrication de dispositifs. Placer un cristal TCDAP parallèle aiguille avec la longueur du substrat PET sur le ruban adhésif double face et la fixer solidement.
- En vertu d'un stéréomicroscope, appliquer watcolloïdale à base de graphite-er à travers une aiguille de seringue microlitre dans une ligne (plusieurs mm) qui se prolonge à partir des deux extrémités du cristal agissant en tant que source et le drain. Attendez environ 30 minutes pour le graphite colloïdal à sécher et mesurer la distance entre les deux taches de graphite sous un microscope optique pour déterminer la longueur du canal exact (maintenir à 0,6-1 mm).
- Utilisez du ruban de carbone conducteur pour fixer le substrat de PET sur une lame microscopique. Placer la lame près de l'extrémité du tube de pyrolyse de la chambre de dépôt.
- Peser 0,5 g du précurseur de l'isolant diélectrique, [2,2] paracyclophane, et placez-le à proximité de l'entrée du tube de pyrolyse.
- Le système de pompe à un vide de 10 -2 Torr. Préchauffer la zone de pyrolyse à proximité du centre du tube jusqu'à une température prédéterminée de 700 ° C et maintenir à cette température.
- Chauffer le [2,2] paracyclophane échantillon à 150 ° C. Les vapeurs du précurseur passeront à travers la zone de pyrolysepour donner des monomères, qui se condensent à proximité de l'extrémité du tube de pyrolyse pour la polymérisation.
- Laissez la / réaction de polymérisation de pyrolyse continue pendant 2 heures.
- Refroidir le système et de prendre les échantillons du tube de pyrolyse.
- Déterminer l'épaisseur de la couche diélectrique déposée en mesurant la hauteur de gradin de la couche et le substrat à l'aide d'un profilomètre selon les instructions du fabricant.
- Appliquer à base d'isopropanol-colloïdal graphite à travers une aiguille de seringue microlitre en ligne sur le dos de la couche diélectrique au-dessus du cristal pour servir de l'électrode de grille.
4. Mesurer la performance de l'appareil
- Utilisez le scalpel pour couper un trou dans le film diélectrique polymère dessus de la zone d'électrode de source / drain afin d'exposer les électrodes en dessous pour la connexion.
- Avec l'aide d'un support et des pinces, amener les sondes d'électrode de l'analyseur de paramètres en contact avecles électrodes source / drain / grille. Enregistrer les caractéristiques IV à des potentiels de grille selon les instructions du fabricant.
Note: Ici, les potentiels de grille sont définies à partir de -60 V à 60 V à 15 V étapes.
5. Expériences Bending
- Pour mesurer les propriétés à l'état de traction, envelopper la face arrière du substrat de PET flexible autour des cylindres de rayons différents (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm et 5,8 mm) et fixer le substrat de PET au cylindre sur les quatre côtés avec du ruban à vide .
- Branchez les sondes à la source / drain / électrodes de grille et de mesurer les caractéristiques IV à différents potentiels de grille comme décrit dans 4.2.
- À mesurer dans l'état de compression, envelopper la moitié de la face avant du substrat en PET autour de l'extrémité d'un cylindre, de telle sorte que les électrodes de cristal / de source / drain / grille font face au cylindre et pourtant encore exposés. Fixer le substrat PET sur le cylindre avec du ruban à vide (voir Fig. 5
- Branchez les sondes à la source / drain / électrodes de grille et de mesurer les caractéristiques IV à différents potentiels de grille comme décrit dans 4.2.
NOTE: Une illustration en coupe transversale de la structure du dispositif est représenté sur la Fig. 1.
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Representative Results
La seule analyse XRD cristal révèle que TCDAP est un système π étendu avec des molécules d' emballage le long de l'axe. Fig. 2 montre le motif de balayage par la poudre XRD pour un cristal de TCDAP. Une série de pics aigus sont observés, ce qui correspond seulement à la famille des (0, k, ℓ) plans, en comparant avec le diagramme de poudre de diffraction du cristal. Cela impliquerait que la structure cristalline est orienté comme indiqué sur la Fig. 3.
Avant le cintrage, le transistor monocristallin de type n TCDAP plat donne des courants de saturation bien réglées uniquement pour une tension de grille positive (V GS) lorsque la tension de grille varie de -60 V à 60 V à 15 V étapes. Ceci suggère de type n comportement (Fig. 4a). Fig. 4b montre à la fois le journal (ligne bleue) et les parcelles linéaire (ligne noire) du courant de drain en fonction source-drain bias (V DS) à une polarisation de 30 V. de porte
La mobilité des électrons a été calculé à partir des caractéristiques IV en régime linéaire selon l'équation,
ou en régime de saturation selon l'équation,
où W est la largeur de canal, L est la longueur du canal, m est la mobilité des porteurs, C i est la capacité par unité de surface de l'isolant diélectrique et V TH est la tension de seuil, respectivement.
Une mobilité moyenne de 1,42 cm 2 / V · s etun rapport on / off de 10 3 -10 4 ont été atteints.
Pour l'expérience, pliage des extrémités vers le bas devrait induire un tronçon du canal de conduction près de la / l' interface diélectrique de canal , de sorte que ceci est défini comme étant l'état "traction" (voir fig. 5a), alors que la flexion des extrémités vers le haut induira une compression du canal conducteur et est donc définie comme étant l'état "compression" (voir Fig. 5b). Les caractéristiques IV du dispositif dans son état plat ont été vérifiés après des opérations de pliage opposées à l'état courbe, avec un rayon R = 14,0 mm; le hors-courant n'a pratiquement pas changé (voir Fig. 6). Ceci a servi à indiquer que la structure du dispositif est reconstituable et que le dispositif n'a pas été détruite lors d'une flexion dans différentes directions. Ensuite, le IV a été mesurée à l'état plié pour l'état de traction. Comme on le voit sur la Fig. 7a </ Strong>, le courant a diminué avec la flexion, d'autant plus avec plus de flexion (rayon plus petit). La mobilité calculée a été tracée en fonction du rayon de cintrage. Comme on le voit sur la Fig. 8a, il y a une nette tendance à la diminution de la mobilité avec une augmentation de flexion. Ainsi, une courbe vers le bas à R = 14,0 mm, a provoqué une réduction de la mobilité de 6,25%. réductions de mobilité de 12,5%, 25%, et 37,5% pour les rayons de courbure de 12,4 mm, 8,0 mm et 5,8 mm, respectivement, ont été observées. En revanche, lorsque le dispositif a été plié vers le haut (état de compression) à R = 14,0 mm, un léger décalage dans la courbe linéaire IV a été observée, avec un décalage accru que la flexion accrue (Fig. 7b). La mobilité calculé sur la pente des courbes a augmenté de 5,5%, 12,8%, 15,2%, et 19,8% pour les rayons bent de 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm et 5,8 mm, respectivement (Fig. 8b).
Dans un cristal courbé, différents côtés expérience différente sles trains. Sur le côté concave, les molécules sont compressées, et du côté convexe, les molécules écartées, dans une certaine mesure en fonction de la courbure. Ainsi, la courbure ascendante et descendante du résultat de cristal dans la compression et la diffusion des molécules, respectivement, à l'interface diélectrique de grille, ce qui donne un couplage électronique croissante et décroissante, respectivement.
Les porteurs de charge dans un transistor sont connus pour être à l'intérieur de plusieurs monocouches de la surface du diélectrique, ainsi que la mobilité est principalement affectée par les couches immédiatement à côté de la couche diélectrique. Dans le cas présent, la mobilité croissante dans l'état de compression et de la mobilité décroissante dans l'état de traction devraient très probablement en raison de la modification de l'espacement intermoléculaire dans le cristal. Nos résultats témoignent en outre de l'importance du couplage électronique en fonction de la distance intermoléculaire. Dans un dispositif à film mince polycristallin comportant des grains, où lacristaux peuvent ne pas être aussi grande que nous avons utilisé dans ces expériences, la distance entre les grains peut également être affectée par la flexion, générant ainsi des résultats similaires.
Figure 1. Illustration transversale du transistor à effet de champ monocristal top contact établi sur un substrat flexible. Les électrodes source / drain / grille ont été préparées à partir de graphite colloïdal, tandis que l'isolant diélectrique a été préparé à partir de la pyrolyse du [2.2] précurseur paracyclophane. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Poudre diagramme de diffraction des rayons X du SI TCDAPcristal ngle posé sur le substrat PET. Les pics ont été indexés à la famille de (0, k, l) avions. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
La figure 3. Illustrations schématiques de la voie de transport de charge. Le transport de charge le long de l'axe, avec le (0,1,1) plan (plan rouge) parallèle au substrat (plan bleu). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure .
Figure 4. I Caractéristiques DS -V DS. (a) Les caractéristiques de sortie avec la tension de grille varie de -60 V à 60 V à 15 V étapes et (b) les caractéristiques de transfert, qui montrent à la fois le journal (ligne bleue) et linéaire (ligne noire) parcelles de la courant de drain en fonction de polarisation source-drain (V DS) à une polarisation de grille de 30 V pour un cristal unique transistor à effet de champ TCDAP (SCFET) sur un substrat de PET avant de se pencher. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. illustrations schématiques des expériences de flexion. (A) L'état de pliage vers le haut, avec le bord du substrat enroulé autour d' un cylindre tandis que la partie périphérique est exposée, et (b) avec la station de pliage vers le baste, avec le substrat enroulé autour d' un cylindre. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Comparaison des caractéristiques de transfert du dispositif FET TCDAP unique à base de cristal. Avant et après (a) vers le bas de flexion et (b) la flexion vers le haut la première fois et la quatrième fois à une courbure R = 14,0 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7. Une superposition des caractéristiques de transfert ee TCDAP unique dispositif FET à base de cristal. Etat Bent pour (a) la flexion vers le bas, et (b) la flexion vers le haut dans les différents rayons de courbure (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm, et R = 5,8 mm) . S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8 Mesuré mobilité en fonction du rayon de courbure du dispositif à base de cristal unique TCDAP. (A) la flexion vers le bas. (B) la flexion vers le haut. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Dans cette expérience, un certain nombre de paramètres influencent le succès de la mesure de la mobilité à effet de champ. Tout d'abord, le cristal unique devrait être assez grand pour être fabriqué dans un dispositif à effet de champ pour la mesure de la propriété. Le procédé de transfert physique en phase vapeur (PVT) est celle qui permet de plus grands cristaux à cultiver. En ajustant la température et le débit du gaz porteur d'écoulement, des cristaux de tailles allant jusqu'à un demi-centimètre peut être obtenu. D'autre part, le choix d'un monocristal est importante. Un monocristal apparent peut contenir des faisceaux de cristaux, et à la flexion peut provoquer dissimulations des faisceaux. Ainsi, un cristal mince est préférée. En troisième lieu, doublé face bande est nécessaire pour maintenir le cristal en contact constant avec la surface du substrat, comme des expériences approfondies ont montré que, sans cette bande, les contacts entre le cristal et la couche diélectrique et / ou de l'électrode peuvent se déplacer sur de multiples opérations de pliage, de sorte que la résistance de contact augmente unnd mesures actuelles instables ou non reproductibles sont obtenus. Un autre problème est dans la réalisation de l'état de compression, lorsque les extrémités des cristaux sont courbés vers le haut. Au moment d'emballer le substrat flexible autour d'un cylindre de diamètre approprié, le cristal / source / drain / porte à être accessible par les sondes. Cela se fait en enroulant le bord du substrat en PET souple autour de l'extrémité du cylindre, de sorte que la source / drain / zone de grille sont exposées et accessibles aux sondes tout en maintenant le substrat courbé.
En ce qui concerne l'analyse des données, il est reconnu que la flexion du substrat souple peut provoquer un changement dans l'épaisseur de la couche diélectrique et dans la capacité. Bien que cette modification éventuelle n'a pas été pris en compte dans le calcul de la mobilité, il est à noter que cette modification doit être indépendante de la direction du pliage. Cependant, la tendance inverse dans les changements de mobilité devrait éliminer la possibilité de changements de mobilité étant due à til la capacité de changement. La qualité d'un monocristal aura une grande influence sur la mobilité mesurée. Pour les données illustrées à la figure 8, une grande différence de mobilité a été observée pour les deux cristaux, probablement en raison de la qualité des cristaux choisis. Néanmoins, les tendances de l'évolution de la mobilité lors de la flexion, ce qui est une préoccupation majeure dans ce travail, constituent la base des conclusions tirées des expériences.
Contrairement à la technologie actuelle 11, dans lequel un cristal est d' abord coudée, puis placé sur un substrat plat pour la mesure, notre procédé permet la mesure du courant dans l'état de traction, ainsi que l'état de compression. Dans la technique antérieure, seul le passage du courant à travers le chemin le plus court, à savoir l'état de compression, peut être mesurée. Cette méthode permet une variété de propriétés électriques à mesurer directement sur des substrats flexibles.
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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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