Summary
Questo manoscritto descrive il processo di piegatura di un singolo transistor a effetto di campo a base di cristallo organica di mantenere un dispositivo funzionante, per la misura di proprietà elettroniche. I risultati suggeriscono che provoca flessione cambiamenti nella spaziatura molecolare nel cristallo e quindi del tasso salti di carica, che è importante in elettronica flessibili.
Abstract
Il trasporto di carica in un semiconduttore organico dipende fortemente sull'imballaggio molecolare nel cristallo, che influenza l'accoppiamento elettronico immensamente. Tuttavia, in elettronica morbidi, nei quali semiconduttori organici svolgono un ruolo fondamentale, i dispositivi saranno piegati o piegati più volte. L'effetto di piegare sull'imballaggio cristallo e quindi il trasporto di carica è fondamentale per le prestazioni del dispositivo. In questo manoscritto, descriviamo il protocollo di piegare un singolo cristallo di 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) nella configurazione a transistor ad effetto di campo e di ottenere caratteristiche IV riproducibili sulla flessione del cristallo. I risultati mostrano che la piegatura di un transistor a effetto di campo preparati su un flessibile risultati substrato nelle tendenze ancora opposte quasi reversibili in mobilità di carica, a seconda della direzione di piegatura. La mobilità aumenta quando il dispositivo è piegato verso il / strato dielettrico di gate superiore (verso l'alto, lo stato di compressione) e diminuisce quando esserent verso il lato di cristallo / substrato (verso il basso, lo stato di trazione). è stato anche osservato l'effetto di piegatura di curvatura, con cambiamento maggiore mobilità dovuta maggiore curvatura curvatura. Si suggerisce che i cambiamenti intermolecolari distanza π-π su flessione, influenzando così l'accoppiamento elettronico e la conseguente capacità di trasporto del vettore.
Introduction
Dispositivi elettronici morbidi, quali sensori, display e elettronica indossabile, sono attualmente in fase progettati e studiati in modo più attivo, e molti sono stati anche lanciato sul mercato negli ultimi anni 1,2,3,4. Materiali semiconduttori organici svolgono un ruolo importante in questi dispositivi elettronici a causa dei loro vantaggi intrinseci, compreso il prezzo basso sviluppo, la capacità di essere preparato in soluzione o alle basse temperature, e, in particolare, la loro flessibilità rispetto ai semiconduttori inorganici 5,6. Una considerazione speciale per queste elettronica è che essi saranno sottoposti a flessione frequenti. Bending introduce tensione nei componenti e dei materiali all'interno del dispositivo. Una prestazione stabile e coerente è necessaria in quanto tali dispositivi sono piegate. I transistor sono una componente essenziale per la maggior parte di questi elettronica, e le loro prestazioni in flessione è di interesse. Un certo numero di studi hanno affrontato il problema di prestazioni piegando t organicapellicola hin transistor 7,8. Mentre le variazioni di conduttanza upon piegatura possono essere attribuiti ai cambiamenti nella spaziatura tra i grani in un film sottile policristallino, una domanda più fondamentale da porsi è se la conduttanza può cambiare in un singolo cristallo sulla piegatura. E 'ben noto che il trasporto di carica tra molecole organiche dipende fortemente accoppiamento elettronico tra le molecole e l'energia di riorganizzazione coinvolti nella interconversione tra gli stati neutri e carichi 9. accoppiamento elettronico è molto sensibile alla distanza tra molecole vicine e alla sovrapposizione di orbitali molecolari di frontiera. La curvatura di un cristallo ben ordinata introduce ceppo e può modificare la posizione relativa delle molecole all'interno del cristallo. Questo può essere misurata con un singolo transistor a effetto di campo a base di cristallo. Un rapporto utilizzato cristalli singoli di rubrene su un substrato flessibile per studiare l'effetto dello spessore cristallo su di piegatura 10. devizi con cristalli nanowire ftalocianina di rame disposti su un substrato piano hanno mostrato di avere una maggiore mobilità sul piegatore 11. Tuttavia, le proprietà di un dispositivo piegata FET in direzioni diverse non sono stati esplorati.
La molecola 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) è un n-tipo di materiale semiconduttore 12. Il cristallo di TCDAP ha un motivo imballaggio monoclina con spostata impilamento π-π tra molecole vicine lungo l'asse della cella elementare ad una lunghezza di cella di 3.911 Å. Il cristallo si sviluppa lungo questa direzione imballaggio per dare lunghi aghi. La mobilità campo massimo effetto tipo n misurata lungo questa direzione raggiunto 3,39 centimetri 2 / V · sec. A differenza di molti cristalli organici che sono fragili e fragili, cristallo TCDAP è risultato essere altamente flessibile. In questo lavoro, abbiamo usato TCDAP come canale conduzione e preparato il transistor a singolo cristallo ad effetto di campo su un substrato flessibile of polietilene tereftalato (PET). La mobilità è stata misurata per il cristallo su un substrato piatto, con il piegato dispositivo verso il substrato flessibile (verso il basso) o piegato verso il / lato dielettrico di gate (verso l'alto). Dati IV sono stati analizzati in base ai cambiamenti nella distanza di sovrapposizione / accoppiamento tra il vicino molecole.
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Protocol
1. Preparazione di TCDAP 12
- Sintetizzare TCDAP seguendo le procedure di letteratura 13.
- Purificare il prodotto TCDAP dal metodo sublimazione temperatura pendenza, con le tre zone di temperatura impostati a 340, 270 e 250 ° C rispettivamente, sotto una pressione di vuoto di 10 -6 Torr 12,14.
2. crescere cristalli singoli di TCDAP utilizzo di un trasferimento del vapore fisico (PVT) Sistema 14
- Mettere il campione TCDAP ad una estremità di una barca (5 cm di lunghezza) e caricare la barca in un tubo interno in vetro (lunghezza 15 cm e un diametro di 1,2 cm).
- Caricare il tubo interno in un tubo più lungo di vetro (lunghezza 83 cm e 2 cm di diametro) e spingere a circa 17 cm dalla apertura.
- Caricare il tubo di vetro lungo in un tubo di rame (60 cm di lunghezza e 2,5 cm di diametro) orizzontalmente fissi su una cremagliera; assicurarsi che la barca di TCDAP si trova nel centro della zona di riscaldamento definita da un ar nastro di riscaldamentoound il tubo di rame.
- Spurgare il sistema PVT con gas elio con un flusso di 30 cc / min, e quindi attivare il trasformatore per riscaldare il nastro di riscaldamento a 310 ° C; mantenimento a tale temperatura per due giorni.
- Dopo raffreddamento il sistema a temperatura ambiente, raccogliere i cristalli del tubo interno.
Fabrication 3. Dispositivo
- Mettere di 200 micron di spessore, trasparente, pre-tagliati PET substrato (2 cm x 1 cm) in una fiala e pulirlo per sonicazione in soluzione detergente, acqua deionizzata, e acetone, in sequenza, per 30 minuti ciascuno. Essiccare il substrato mediante flusso di azoto.
- Mettere nastro biadesivo sul substrato PET.
- Esaminare i cristalli sotto uno stereomicroscopio. Selezionare buona qualità, i cristalli brillanti con una dimensione di ~ 5 millimetri x ~ 0,03 millimetri per la fabbricazione di dispositivi. Inserire un ago-come il cristallo TCDAP parallelo con la lunghezza del substrato PET sul nastro biadesivo e fissare saldamente.
- Sotto uno stereomicroscopio, applicare watgrafite colloidale ER-based attraverso un ago microlitri siringa in una linea (alcuni mm) che si estende dalle due estremità del cristallo in qualità di sorgente e di scarico. Attendere circa 30 minuti per la grafite colloidale per asciugare e misurare la distanza tra i due punti di grafite sotto un microscopio ottico per determinare l'esatta lunghezza di canale (la tiene a 0,6-1 mm).
- Utilizzare carbonio nastro conduttivo per risolvere il substrato PET su un vetrino microscopico. Posizionare il vetrino vicino all'estremità del tubo pirolisi della camera di deposizione.
- Pesare 0,5 g del precursore del dielettrico isolante, [2.2] paracyclophane, e posizionarlo in prossimità dell'ingresso del tubo pirolisi.
- Pompa il sistema ad un vuoto di 10 -2 Torr. Pre-riscaldare la zona di pirolisi vicino al centro del tubo fino ad una temperatura prefissata di 700 ° C e mantenere a tale temperatura.
- Riscaldare il campione [2.2] paracyclophane a 150 ° C. I vapori del precursore passeranno attraverso la zona di pirolisiinvia i monomeri, che si condensa in prossimità dell'estremità del tubo pirolisi a polimerizzare.
- Lasciate che la pirolisi / reazione di polimerizzazione proseguire per 2 ore.
- Raffreddare il sistema e togliere i campioni dal tubo di pirolisi.
- Determinare lo spessore dello strato di dielettrico deposto misurando l'altezza del gradino dello strato ed il substrato utilizzando un profilometro secondo le istruzioni del produttore.
- Applicare isopropanolo a base di grafite colloidale attraverso un ago microlitri siringa in una linea sul retro dello strato dielettrico sopra il cristallo per fungere da elettrodo di gate.
4. Misurare la prestazioni del dispositivo
- Utilizzare il bisturi per tagliare un foro attraverso il film dielettrico polimerico sopra dell'area elettrodo di source / drain per esporre gli elettrodi sotto collegamento.
- Con l'aiuto di un supporto e morsetti, sulle sonde elettrodi dal parametro Analyzer in contatto congli elettrodi di source / drain / cancello. Registrare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello secondo le istruzioni del produttore.
Nota: Qui, i potenziali di porta sono impostati da -60 V a 60 V a 15 V gradini.
5. Esperimenti Bending
- Per misurare le proprietà allo stato di trazione, avvolgere il retro del substrato PET flessibile intorno cilindri di raggio diverso (14.0 mm 12,4 millimetri, 8.0 mm e 5,8 mm) e fissare il substrato PET al cilindro su quattro lati con nastro vuoto .
- Collegare le sonde ai / scarico / cancello elettrodi di sorgente e misurare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello come descritto al punto 4.2.
- Per misurare nello stato di compressione, avvolgere la metà del lato frontale del substrato PET intorno all'estremità di un cilindro, in modo tale che gli elettrodi di cristallo / source / drain / cancello si affacciano sul cilindro e tuttavia sono ancora esposti. Fissare il substrato PET sul cilindro con nastro vuoto (vedere Fig. 5
- Collegare le sonde ai / scarico / cancello elettrodi di sorgente e misurare le caratteristiche IV a diversi potenziali cancello come descritto al punto 4.2.
NOTA: Un'illustrazione trasversale della struttura del dispositivo è mostrato in Fig. 1.
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Representative Results
Il singolo cristallo analisi XRD rivela che TCDAP è un sistema π estesa con molecole di imballaggio lungo l'asse. Fig. 2 illustra la configurazione di scansione in polvere XRD per un cristallo TCDAP. si osservano una serie di picchi taglienti, corrispondente solo alla famiglia di (0, k, ℓ) piani, confrontando con il modello di diffrazione della polvere del cristallo. Ciò implica che la struttura cristallina è orientato come mostrato in Fig. 3.
Prima di piegatura, il transistore monocristallino piatta tipo n TCDAP dato correnti saturazione ben risolti solo per tensioni di gate positive (V GS) quando la tensione di porta è stata variata da -60 V a 60 V per 15 V passaggi. Questo suggerisce un comportamento di tipo n (Fig. 4a). Fig. 4b mostra sia il registro (linea blu) e le lineare (linea nera) trame della corrente di drain in funzione source-drain Bias (V DS) ad una polarizzazione di porta di 30 V.
La mobilità degli elettroni è stata calcolata dalle caratteristiche IV in regime lineare secondo l'equazione,
o in regime di saturazione secondo l'equazione,
dove W è la larghezza del canale, L è la lunghezza di canale, m è la mobilità dei portatori, C i è la capacità per unità di superficie del dielettrico isolante, e V TH è la tensione di soglia, rispettivamente.
Una mobilità media 1,42 cm 2 / V · sec eun rapporto on / off del 10 3 -10 4 sono stati raggiunti.
Per l'esperimento di curvatura, piegatura delle estremità ribasso dovrebbe indurre un tratto del canale di conduzione in prossimità dell'interfaccia canale / dielettrico affinché questa è definita come lo stato "trazione" (vedi Fig. 5a), mentre la piegatura delle estremità verso l'alto indurrà una compressione del canale conduttivo ed è quindi definita come lo stato "compressione" (vedi Fig. 5b). Le caratteristiche IV del dispositivo nel suo stato piatto sono stati controllati dopo operazioni di piegatura contrapposte allo stato curvo, con un raggio R = 14,0 millimetri; bassa corrente praticamente non cambia (vedi Fig. 6). Ciò è servito per indicare che la struttura del dispositivo è ripristinabile e che il dispositivo non è stato distrutto momento flettente in direzioni diverse. Successivamente, il IV è stata misurata allo stato piegato per lo stato di trazione. Come mostrato in Fig. 7a </ Strong>, la corrente è diminuito con la piegatura, a maggior ragione con più curvatura (più piccolo raggio). La mobilità calcolata stata tracciata in funzione del raggio di piegatura. Come mostrato in Fig. 8a, vi è una chiara tendenza di diminuzione della mobilità con una maggiore flessione. Così, una curva verso il basso a R = 14,0 millimetri causato una riduzione della mobilità del 6,25%. riduzioni di mobilità del 12,5%, 25%, e il 37,5% per i raggi di curvatura a 12,4 millimetri, 8,0 millimetri, e 5,8 mm rispettivamente, sono stati osservati. Al contrario, quando il dispositivo è stato piegato verso l'alto (stato di compressione) a R = 14,0 millimetri, è stato osservato un leggero spostamento della curva lineare IV, con un aumento di spostamento, flessione maggiore (Fig. 7b). La mobilità calcolata in base alla pendenza delle curve è aumentato del 5,5%, 12,8%, 15,2% e 19,8% per i raggi piegata di 14,0 millimetri 12,4 millimetri, 8,0 millimetri, e 5,8 mm rispettivamente (Fig. 8b).
In un cristallo curvato, parti diverse sperimentano diversi streni. Sul lato concavo, le molecole vengono compressi, e sul lato convesso, le molecole allargate, in misura a seconda della curvatura. Così, la piegatura verso l'alto e verso il basso del risultato cristallo in compressione e la diffusione delle molecole, rispettivamente, all'interfaccia dielettrico di gate, dando un accoppiamento elettronico aumentando e diminuendo rispettivamente.
I portatori di carica in un transistore sono noti per essere entro alcuni monostrati di superficie dielettrica, e la mobilità è influenzato principalmente dagli strati immediatamente accanto allo strato dielettrico. Nel caso attuale, la crescente mobilità nello stato di compressione e la mobilità decrescente nella stato di trazione dovrebbero molto probabilmente dovuta alla variazione spaziatura intermolecolare all'interno del cristallo. I nostri risultati inoltre testimoniano l'importanza di accoppiamento elettronico in funzione della distanza intermolecolare. In un dispositivo a film sottile con grani policristallini, dove lacristalli non possono essere grande come abbiamo usato in questi esperimenti, la distanza tra i granuli può anche essere influenzata da piegatura, generando risultati simili.
Figura 1. Illustrazione trasversale del monocristallo transistor a effetto di campo superiore contatto disposta su un substrato flessibile. Gli elettrodi di source / drain / cancello sono stati preparati in grafite colloidale, mentre il dielettrico isolante è stato preparato dalla pirolisi del [2.2] precursore paracyclophane. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Polvere di raggi X diffrazione della si TCDAPcristallo ngle prevista sul substrato PET. I picchi sono stati indicizzati alla famiglia di aerei (0, k, ℓ). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Illustrazioni schematiche del percorso trasporto di carica. Il trasporto di carica lungo l'asse, con il (0,1,1) piano (piano rosso) parallelamente al substrato (piano blu). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura .
Figura 4. I caratteristiche DS -V DS. (a) Le caratteristiche di uscita con tensione di porta varia da -60 V a 60 V in 15 V passi e (b) le caratteristiche di trasferimento, che mostrano sia il registro (linea blu) e lineare (linea nera) trame della corrente in funzione di bias source-drain (V DS) di scarico ad una polarizzazione di porta di 30 V per un singolo cristallo ad effetto di campo transistor TCDAP (SCFET) su un substrato di PET prima di curvare. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. illustrazioni schematiche dei esperimenti piegatura. (A) Lo stato piegatura verso l'alto, con il bordo del substrato avvolto su un cilindro mentre la parte periferica è esposta, e (b) la sta piegando verso il bassoTE, con il substrato avvolto intorno ad un cilindro. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Confronto delle caratteristiche di trasferimento del singolo dispositivo FET di cristallo a base di TCDAP. Prima e dopo (a) verso il basso piegatura e (b) flessione verso l'alto la prima volta e la quarta volta ad una curvatura R = 14,0 millimetri. Cliccate qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Un overlay delle caratteristiche di trasferimento di the TCDAP unico dispositivo FET a base di cristallo. stato Bent per (a) la piegatura verso il basso, e (b) la piegatura verso l'alto in diversi raggi di curvatura (R = 14,0 millimetri, R = 12.4 mm R = 8,0 millimetri, e R = 5,8 millimetri) . clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Misurata mobilità come funzione del raggio di curvatura per il dispositivo a base di cristallo singolo TCDAP. (A) verso il basso piegatura. (B) verso l'alto flessione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
In questo esperimento, una serie di parametri incide sulla misurazione successo della mobilità effetto di campo. In primo luogo, il singolo cristallo dovrebbe essere abbastanza grande per essere fabbricato in un dispositivo ad effetto di campo per la misura di proprietà. Il metodo di trasferimento fisica da fase vapore (PVT) è quella che permette ai cristalli più grandi per essere coltivate. Regolando la temperatura e la portata del gas di trasporto, cristalli di dimensioni fino a mezzo centimetro può essere ottenuta. In secondo luogo, la scelta di un singolo cristallo è importante. Un cristallo singolo apparente può contenere fasci di cristalli, e piegatura può causare dissimulazione dei fasci. Così, un cristallo sottile è preferito. In terzo luogo, raddoppiato-sided nastro è necessario per mantenere il cristallo in costante contatto con la superficie del substrato, come molti esperimenti hanno dimostrato che senza tale nastro, i contatti tra il cristallo e lo strato dielettrico e / o elettrodo possono spostare su multiple operazioni piegarsi che la resistenza di contatto aumenta unND misure correnti instabili o non riproducibili si ottengono. Un altro problema è nel raggiungere lo stato di compressione, quando le estremità di cristallo sono piegate verso l'alto. Quando avvolgendo substrato flessibile su un cilindro del diametro adeguato, il cristallo / source / drain / gate devono essere accessibili dalle sonde. Questo viene fatto avvolgendo il bordo del substrato PET flessibile intorno all'estremità del cilindro, in modo che il / scarico / zona di porta sorgente sono esposti e accessibili alle sonde mantenendo il substrato curvo.
In termini di analisi dei dati, si riconosce che la piegatura del substrato flessibile potrebbe causare un cambiamento nello spessore dello strato dielettrico e la capacità. Sebbene questo possibile cambiamento non è considerato nel calcolo della mobilità, si osserva che questo cambiamento deve essere indipendente dalla direzione della piegatura. Tuttavia, la tendenza opposta a cambiamenti di mobilità dovrebbe eliminare la possibilità di cambiamenti di mobilità sia a causa di tha capacità La cambiamento. La qualità di un singolo cristallo avrà molta influenza sulla mobilità misurata. Per i dati mostrati in figura 8, una grande differenza nella mobilità è stato osservato per i due cristalli, presumibilmente a causa della qualità dei cristalli scelti. Tuttavia, le tendenze del cambiamento della mobilità su flessione, che è di grande preoccupazione in questo lavoro, costituiscono la base per le conclusioni derivate da esperimenti.
In contrasto con l'attuale tecnologia 11, dove un cristallo è prima piegato e poi posto su un substrato piano per la misura, il nostro metodo permette la misura di corrente in stato di trazione e lo stato di compressione. Nella tecnica precedente, solo la corrente che passa attraverso il percorso più breve, cioè, lo stato di compressione, può essere misurata. Questo metodo consente una varietà di proprietà elettriche da misurare direttamente su substrati flessibili.
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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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