Effekt av Bending på elektriske egenskaper Fleksibel Organic én krystall-baserte felt-effekt transistorer

Summary

Dette manuskriptet beskriver bøyeprosessen i en organisk én krystall-baserte felteffekttransistor for å opprettholde en fungerende anordning for elektronisk egenskap måling. Resultatene tyder på at bøye fører til endringer i molekylavstand i krystallen, og således i den charge hopping hastighet, noe som er viktig i fleksible elektronikk.

Abstract

Den ladningstransport i et organisk halvleder, avhenger sterkt av molekyl pakningen i krystallen, noe som påvirker den elektroniske koblings umåtelig. Men i myke elektronikk, hvori organiske halvledere spiller en avgjørende rolle, vil enhetene være bøyd eller brettet flere ganger. Effekten av å bøye på den krystall pakking og dermed kostnad transport er avgjørende for ytelsen til enheten. I dette manuskriptet, beskriver vi protokollen for å bøye et enkelt krystall av 5,7,12,16-tetraklor-6,13-diazapentacene (TCDAP) i felt-effekttransistor konfigurasjon og for å oppnå reproduserbare IV egenskaper ved bøyning krystallen. Resultatene viser at bøye en felteffekttransistor fremstilles på et fleksibelt substrat resulterer i nesten reversibel ennå motsatte tendenser i ladning mobilitet, avhengig av bøyeretningen. Mobilitet øker når enheten er bøyd mot toppen gate / dielektrisk lag (oppover, kompresjons tilstand) og minsker når værent mot krystall / underlaget side (nedover, strekk tilstand). Effekten av bøyekrumning ble også observert, med økt mobilitet endringen som følge av høyere bøyekrumning. Det er foreslått at de intermolekylære π-π avstandsendringene ved bøyning, for derved å påvirke den elektroniske kobling og den etterfølgende bærer transportevne.

Introduction

Myke elektroniske enheter, for eksempel sensorer, skjermer, og bærbar elektronikk, blir nå utviklet og forsket mer aktivt, og mange har også blitt lansert i markedet de siste årene ^1,2,3,4. Organisk halvledende materiale spiller en viktig rolle i disse elektroniske enheter på grunn av deres iboende fordeler, blant annet lav utviklingskostnader, evnen til å fremstilles i oppløsning eller ved lave temperaturer, og særlig når deres fleksibilitet sammenlignet med uorganiske halvledere ^5,6. En spesiell omtanke for disse elektronikk er at de vil bli utsatt for hyppig bøying. Bøyning introduserer påkjenning i komponentene og materialene i enheten. En stabil og konsistent ytelse er nødvendig som slike enheter er bøyd. Transistorer er en viktig komponent i de fleste av disse elektronikk, og deres ytelse under bøying er av interesse. En rekke studier har adressert dette ytelsesproblemet ved å bøye organisk thin film transistorer ^7,8. Mens endringer i ledningsevne ved bøyningen kan tilskrives endringer i avstanden mellom kornene i et polykrystallinsk tynn film, en mer grunnleggende spørsmål å stille er hvorvidt den konduktans kan endre seg i løpet av en enkelt krystall ved bøying. Det er vel akseptert at ladningstransport mellom organiske molekyler avhenger sterkt av elektronisk kobling mellom molekyler og omorganisering energi involvert i omdannelsen mellom nøytrale og belastet tilstander ^9. Elektronisk kobling er svært følsom for avstanden mellom nabomolekyler og til overlappingen av grense molekylorbitalene. Bøying av en velordnet krystall introduserer påkjenning og kan endre den relative stilling av molekyler i krystallen. Dette kan testes med en enkelt krystallbasert felteffekttransistor. En rapport brukt enkrystaller av rubren på et fleksibelt substrat for å studere effekten av krystall tykkelse på bøye ^10. deskrustikker med kobber phthalocyanine nanowire krystaller forberedt på et flatt underlag ble vist å ha en høyere mobilitet ved bøying ^11. Imidlertid har egenskapene for en FET enhet bøyd i forskjellige retninger ikke blitt utforsket.

Molekylet 5,7,12,16-tetra-klor-6,13-diazapentacene (TCDAP) er en n-type halvledermateriale ^12. Krystallen av TCDAP har en monoklin pakning motiv med forskjøvet π-π stabling mellom nabomolekyler langs en akse av enhetscellen ved en cellelengde på 3,911 Å. Krystallen vokser langs denne pakking retning for å gi lange nåler. Den maksimale n-type felt-effekt mobilitet målt langs denne retningen nådde 3,39 cm ² / V · sek. I motsetning til mange organiske krystaller som er sprø og skjøre, er TCDAP krystallen funnet å være meget fleksibel. I dette arbeidet har vi brukt TCDAP som den ledende kanal, og fremstilles på enkeltkrystallfelteffekttransistor på et fleksibelt substrat of polyetylentereftalat (PET). Mobilitet ble målt for krystallen på et flatt underlag, med anordningen bøyd mot den fleksible substrat (nedover) eller bøyd mot porten / dielektriske side (oppover). IV Dataene ble analysert basert på endringer i stablings / koblings avstand mellom nabo molekyler.

Protocol

1. Utarbeidelse av TCDAP ¹²

1. Syntetisere TCDAP ved å følge litteraturprosedyrer ^13.
2. Rens TCDAP produkt ved den temperatur-gradient sublimeringsmetoden, med de tre temperatursoner er angitt ved 340, 270, og 250 ° C, henholdsvis, under et vakuumtrykk på 10 Torr ^{-6 12,14.}

2. Grow enkrystaller av TCDAP Ved hjelp av en fysisk Vapor Transfer (PVT) System ¹⁴

1. Sett TCDAP prøven i den ene enden av en båt (5 cm lang), og laste det inn i båten et glass indre rør (15 cm lang med en diameter på 1,2 cm).
2. Legg det indre røret inn i en lengre glassrør (83 cm lang og 2 cm i diameter), og skyv den inn til ca 17 cm fra åpningen.
3. Installering av lange glassrøret inn i et kobberrør (60 cm lang og 2,5 cm i diameter) horisontalt festet på en ramme; sørg for at båten av TCDAP ligger midt i varmeområdet definert av en oppvarming bandet around kobberrøret.
4. Tømme PVT-system med helium gass ved en strømningshastighet på 30 ml / min, og deretter slå på transformatoren til å varme opp varmebåndet til 310 ° C; opprettholde ved denne temperatur i to dager.
5. Etter avkjøling av systemet til romtemperatur, oppsamling av krystallene fra det indre røret.

3. Enhets Fabrication

1. Sette en 200 um tykk, gjennomsiktig, pre-cut PET substrat (2 cm x 1 cm) inn i en ampulle og rense det ved sonikering i såpevann, avionisert vann, og aceton i rekkefølge i 30 minutter hver. Tørk substratet av nitrogenstrømmen.
2. Plasser dobbeltsidig tape på PET underlaget.
3. Undersøk krystaller i henhold til en stereomikroskop. Velg god kvalitet, skinnende krystaller med en dimensjon på ~ 5 mm x ~ 0,03 mm for enheten fabrikasjon. Plassere en nål-liknende TCDAP krystall parallelt med lengden av PET-substrat på den dobbeltsidige tapen og feste den sikkert.
4. Under en stereomikroskop, gjelder water-baserte kolloidal grafitt via en mikroliter sprøyte nål i en linje (flere mm) som strekker seg fra de to endene av krystallet som virker som kilde og avløp. Vent i ca. 30 minutter for den kolloidale grafitt for å tørke og måle avstanden mellom de to grafitt flekker under et optisk mikroskop for å bestemme den nøyaktige kanallengden (holde den på 0,6-1 mm).
5. Bruk karbon ledende tape til å feste PET underlaget på en mikroskopisk lysbilde. Plasser sleiden nær slutten av pyrolyse rør av avsetningskammeret.
6. Vei opp 0,5 g av forløperen av det dielektriske isolator, [2,2] paracyklofan, og plassere den nær innløpet av pyrolyse røret.
7. Pump ned systemet til et vakuum på 10 Torr ^-2. Forvarm pyrolysesonen nær sentrum av røret opp til en forhåndsinnstilt temperatur på 700 ° C og opprettholde denne temperatur.
8. Varm opp [2,2] paracyklofan prøven til 150 ° C. Dampene av forløperen vil passere gjennom pyrolysesonenfor å gi monomerene, noe som vil kondensere mot slutten av pyrolyse røret for å polymerisere.
9. La pyrolyse / polymerisasjonsreaksjonen fortsette i 2 timer.
10. Kjøle ned og for å ta ut prøver fra pyrolyse røret.
11. Bestemme tykkelsen av den avsatte dielektriske lag ved å måle trinnhøyden av laget og underlaget med et profilometer i henhold til produsentens instruksjoner.
12. Anvende isopropanol-baserte kolloidal grafitt via en mikroliter sprøyte nål i en linje på baksiden av det dielektriske lag over krystallet for å tjene som portelektroden.

4. Mål Utførelse av Device

1. Bruk skalpell til å skjære et hull gjennom polymere dielektriske filmen over kilden / avløp elektrode området for å eksponere elektrodene under for tilkobling.
2. Med hjelp av et stativ og klemmer, bringe elektrode sonder fra Parameter Analyzer i kontakt medkilden / avløp / gate elektroder. Noter IV egenskapene ved ulike gate potensialer i henhold til produsentens instruksjoner.
   Merk: Her er port potensialer satt fra -60 V til 60 V 15 V trinn.

5. Bending Eksperimenter

1. For å måle egenskapene i strekk staten, vikle baksiden av fleksible PET underlaget rundt sylindere av forskjellige radier (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm, og 5,8 mm) og fest PET underlaget til sylinderen på fire sider med vakuum tape .
2. Koble sondene til kilde / avløp / gate elektroder og måle IV karakteristikker ved forskjellige port potensialer som beskrevet i 4.2.
3. For å måle i kompresjonstilstand, vikle halvparten av den fremre side av PET substratet rundt enden av en sylinder, slik at krystall / kilde / sluk / grindelektroder er vendt mot sylinderen og likevel er fortsatt utsatt for. Fest PET underlaget på sylinderen med vakuum tape (se Fig. 5
4. Koble sondene til kilde / avløp / gate elektroder og måle IV karakteristikker ved forskjellige port potensialer som beskrevet i 4.2.
   MERK: Et snitt av anordningen strukturen er vist i fig. 1.

Representative Results

Singelen krystall XRD analyse avslører at TCDAP er en utvidet π system med molekyler pakking langs en akse. Fig. 2 viser skanningen oppskriften ved pulver røntgendiffraksjon for en TCDAP krystall. En rekke skarpe topper observeres, svarende bare til familien av (0, k, ℓ) plan, ved å sammenligne med den Pulver diffraksjonsmønsteret av krystallen. Dette ville innebære at krystallstrukturen er orientert som vist på fig. 3.

Før bøye, flat n-type TCDAP single-krystall transistor ga godt løst metnings strømmer bare for positive gate spenninger (V _GS) når gate spenning ble varierte fra -60 V til 60 V på 15 V trinn. Dette tyder på n-type oppførsel (fig. 4a). Fig. 4b viser både log (blå linje) og lineær (sort linje) plott av dreneringsstrøm som funksjon kilde-drain bias (V _DS) på en gate skjevhet på 30 V.

Elektron mobilitet ble beregnet fra karakteristika IV i det lineære regime i henhold til ligningen,

eller i metnings regime i henhold til ligningen,

hvor W er kanalbredden, er L kanallengden, m er bæreren mobilitet, _C-i er kapasitansen pr arealenhet av det dielektriske isolator, og V _TH er terskelspenningen, respektivt.

En gjennomsnittlig mobilitet av 1,42 cm ² / V-sec ogen på / av-forhold på 10 ³ -10 ⁴ ble oppnådd.

For bøye eksperiment, bøying av endene nedad skulle forårsake en strekning av ledningskanalen i nærheten av kanalen / dielektriske grensesnitt, slik at dette er definert som "strekk" tilstand (se fig. 5a), mens bøyning av endene oppover vil indusere en komprimering av den ledende kanal, og er således definert som "trykk" tilstand (se fig. 5b). De IV egenskapene til enheten i sin flate tilstand ble sjekket etter motsatte bøye operasjoner til den buede staten, med en radius R = 14,0 mm; off-strøm praktisk talt ikke endret (se fig. 6). Dette tjente til å indikere at enheten struktur er gjenopprettes, og at enheten ikke ble ødelagt ved bøyning i forskjellige retninger. Deretter ble IV målt ved den bøyde tilstand for strekktilstand. Som vist på fig. 7a </ Strong>, gjeldende redusert med bøying, mer så med mer bøye (mindre radius). Den beregnede mobilitet ble plottet som en funksjon av radien av bøying. Som vist på fig. 8a, det er en klar trend med redusert mobilitet med økt bøying. Dermed vil en nedadgående bøy i R = 14,0 mm førte til en reduksjon av mobiliteten ved 6,25%. Mobilitets reduksjoner av 12,5%, 25% og 37,5% for bøyeradius på 12,4 mm, 8,0 mm og 5,8 mm, henholdsvis, ble observert. I motsetning til dette, når anordningen er bøyd oppover (kompresjonstilstand) ved R = 14.0 mm, ble det observert en liten forskyvning i den lineære kurve IV, med en øket forskyvning som bøyningen økes (fig. 7b). Den beregnede mobilitet basert på hellingen av kurvene økte med 5,5%, 12,8%, 15,2% og 19,8% for bøyde radier på 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm og 5,8 mm, henholdsvis (fig. 8b).

I en bøyd krystall, ulike sider oppleve forskjellige stog. På den konkave siden, blir molekylene komprimert, og på den konvekse side, molekylene spredt fra hverandre, til en viss grad avhengig av krumningen. Således er oppad og nedad bøying av krystall resultat i kompresjon og spredning av molekylene, henholdsvis, ved porten dielektriske grensesnitt, noe som gir en økende og avtagende elektronisk kobling, henholdsvis.

Ladningsbærere i en transistor er kjent for å være innen flere monolag av det dielektriske overflaten, og mobiliteten er hovedsakelig påvirket av de umiddelbare sjikt ved siden av det dielektriske laget. I det gjeldende tilfelle bør øke mobiliteten i trykktilstand og redusere mobiliteten i strekktilstand mest sannsynlig være på grunn av endringen i avstand mellom intermolekylær i krystallet. Våre resultater ytterligere vitner om viktigheten av elektronisk kobling som en funksjon av inter avstand. I en tynn film enhet med polykrystallinske korn, derKrystallene kan ikke være så stor som vi har brukt i disse forsøkene, kan avstanden mellom kornene også påvirkes ved bøyning, for derved å generere tilsvarende resultater.

Figur 1. tverrsnitt av topp-kontakt én krystall felteffekttransistor forberedt på et fleksibelt substrat. Kilde / avløp / gate elektroder ble fremstilt fra kolloidalt grafitt, mens dielektrisk isolator ble fremstilt fra pyrolyse av [2,2] paracyklofan forløper. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Pulver røntgen diffraksjonsmønsteret til TCDAP single krystall lagt på PET underlaget. Toppene ble indeksert til familien til (0, k, l) plan. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Skjematiske illustrasjoner av ladningstransport veien. Avgiften transport langs en akse, med (0,1,1) plan (rød planet) parallelt med underlaget (blå planet). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .

Figur 4. I _DS -V _DS egenskaper. (a) Utgangs egenskaper med portspenningen variert fra -60 V til 60 V i 15 V trinn og (b) overføre egenskaper, som viser både loggen (blå linje) og lineær (sort linje) plott av tappe strøm som funksjon av kilde-drain skjevhet (V _DS) på en gate skjevhet på 30 V for en TCDAP enkelt krystall felteffekttransistor (SCFET) på en PET underlaget før bøying. klikk her for å se en større versjon av denne figur.

Figur 5. skjematiske illustrasjoner av bøye eksperimenter. (A) Den oppadgående bøyning tilstand, med kanten av substratet viklet rundt en sylinder mens enheten del er eksponert for, og (b) den nedadgående bøye state, med underlaget pakket rundt en sylinder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. Sammenligning av overføringsegenskapene til TCDAP én krystall-baserte FET-enheten. Før og etter (a) nedad bøying og (b) oppadgående bøyning første gang og fjerde gang til en krumning R = 14,0 mm. Trykk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 7. Et overlegg fra overførings egenskapene til the TCDAP én krystall-baserte FET-enheten. Bent tilstand for (a) nedad bøying, og (b) oppover bøyd i forskjellige bøyeradier (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm, og R = 5,8 mm) . klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8. Målt mobilitet som en funksjon av bøyeradius for den TCDAP enkeltkrystall-basert enhet. (A) nedover bøying. (B) oppover bøyd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

I dette forsøk ble en rekke parametre som påvirker den vellykkede måling av felt-effekt mobilitet. For det første bør den enkeltkrystall være stor nok til å fremstilles i en felt-effekt-enheten for egenskapen måling. Den fysiske damp-overføring (PVT) metode er den som gjør at større krystaller som skal dyrkes. Ved regulering av temperaturen og strømningshastigheten for bæregass, krystaller med størrelser opp til en halv centimeter kan oppnås. For det andre er viktig valget av en enkelt krystall. En tilsynelatende enkelt krystall kan inneholde bunter av krystaller, og bøying kan forårsake dissembling av buntene. Dermed er en tynnere krystall foretrukket. For det tredje, doblet tape er nødvendig for å holde krystallen i konstant kontakt med substratoverflaten, som omfattende eksperimenter viste at uten en slik tape, kan kontaktene mellom krystallet og det dielektriske lag og / eller elektrode forskyves ved multippelbøyeoperasjoner, så at kontaktmotstanden øker ennd ustabile eller uforklarlige strømmålinger oppnås. En annen sak er å oppnå trykk staten, når endene av krystall er bøyd oppover. Når innpakning fleksibelt substrat rundt en sylinder av riktig diameter, krystall / kilde / avløp / gate må være tilgjengelig med sondene. Dette gjøres ved å pakke den kant av den fleksible PET substrat rundt enden av sylinderen, slik at kilden / tappe / portområdet er eksponert og tilgjengelig for probene samtidig opprettholde krumme substratet.

I form av data analyse, blir det erkjent at bøyning av det fleksible substrat kan forårsake en endring i tykkelsen av det dielektriske lag og i kapasitansen. Selv om dette mulig endring ikke er vurdert i beregningen av mobilitet, skal det bemerkes at denne endringen skal være uavhengig av retningen av bøyningen. Imidlertid bør den motsatte trend i mobilitetsendringer eliminere muligheten for mobilitetsendringer som skyldes than kapasitetsendring. Kvaliteten på en enkelt krystall vil ha stor innflytelse på den målte mobilitet. For de data som er vist i Figur 8, ble det observert en stor forskjell i mobilitet for de to krystaller, antagelig på grunn av kvaliteten av krystaller valgt. Likevel, trender i mobilitet endring på bøying, som er av stor bekymring i dette arbeidet, danner grunnlaget for konklusjonene utledet fra forsøkene.

I motsetning til dagens teknologi ^11, hvor en krystall er først bøyd og deretter plassert på et plant underlag for måling, tillater vår metode måling av strømmen i strekktilstand, så vel som trykktilstand. I den foregående teknikk, bare den strøm som passerer gjennom den korteste veien, det vil si trykktilstand, kan måles. Denne fremgangsmåten tillater en rekke elektriske egenskaper til å bli målt direkte på fleksible underlag.

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