Summary
Эта рукопись описывает процесс Гибка органического монокристалла на основе полевого транзистора для поддержания функционирования устройства для измерения электронных свойств. Полученные результаты свидетельствуют о том, что изгибающие вызывает изменения в молекулярном расстояния в кристалле и, следовательно, в скорости со скачкообразным изменением заряда, который играет важную роль в гибкой электроники.
Abstract
Переноса заряда в органическом полупроводнике сильно зависит от упаковки молекул в кристалле, который влияет на электронную связь безмерно. Тем не менее, в мягкой электроники, в которых органические полупроводники играют важную роль, устройства будут перегибать неоднократно. Влияние на изгиб кристаллической упаковки и, следовательно, переноса заряда имеет решающее значение для эксплуатационных характеристик устройства. В этой рукописи, мы описываем протокол согнуть монокристалл 5,7,12,16-тетрахлор-6,13-diazapentacene (TCDAP) в конфигурации транзистора полевого и получить воспроизводимые характеристики IV при изгибе кристалла. Результаты показывают, что искривление полевой транзистор, подготовленный на гибкой подложке в результатах почти обратимых еще противоположных тенденций в подвижности зарядов, в зависимости от направления изгиба. Увеличение подвижности, когда устройство изгибается в сторону верхнего затвора / диэлектрического слоя (вверх, сжимающая состояния) и уменьшается, когда будетнт в направлении стороны кристалл / подложка (вниз, растягивающее состояние). Было также отмечено влияние изгиба кривизны, с большим изменением подвижности в результате более высокой кривизны изгиба. Предполагается, что межмолекулярные изменения π-π расстояние при изгибе, влияя тем самым на электронную муфту и последующего переноса носителей способности.
Introduction
Мягкие электронные устройства, такие как датчики, дисплеи и носимой электроники, в настоящее время разрабатываются и более активно исследуются, и многие из них даже был запущен на рынке в последние годы 1,2,3,4. Органические полупроводниковых материалов , играют важную роль в этих электронных устройств из - за присущих им преимуществ, в том числе низкая стоимость разработки, возможность быть приготовлены в виде раствора или при низких температурах, и, в частности, их гибкость по сравнению с неорганическими полупроводниками 5,6. Один особое внимание для этой электроники является то, что они будут подвергаться частым изгибом. Гибка вносит напряжение в компонентах и материалах внутри устройства. Стабильное и последовательное выполнение требуется, поскольку такие устройства согнуты. Транзисторы являются жизненно важным компонентом в большинстве этих электроники, и их производительность при изгибе представляет интерес. Ряд исследований рассмотрел этот вопрос производительности при изгибе органического тхин пленки транзисторов 7,8. В то время как изменения проводимости при сгибании может быть связано с изменением расстояния между зерна в поликристаллической тонкой пленки, более фундаментальный вопрос, чтобы спросить, может ли проводимость изменяться в пределах одного кристалла при изгибе. Хорошо Принято считать , что перенос заряда между органическими молекулами сильно зависит от электронной связи между молекулами и энергии , участвующих в реорганизации взаимопревращения между нейтральных и заряженных состояний 9. Электронная муфта очень чувствительна к расстоянию между соседними молекулами и перекрытия граничных молекулярных орбиталей. Изгиб хорошо упорядоченного кристалла вносит напряжение и может изменить относительное положение молекул внутри кристалла. Это может быть проверено с помощью одного кристалла на основе полевого транзистора. В одном из отчетов используется монокристаллы рубрена на гибкой подложке для изучения влияния толщины кристалла при изгибе 10. Deдемонстрировались с пороками фталоцианина меди кристаллов нанопроволок , приготовленных на плоской подложке , чтобы иметь более высокую подвижность при изгибе 11. Однако свойства для устройства с согнутой FET в разных направлениях не были изучены.
Молекула 5,7,12,16-тетрахлор-6,13-diazapentacene (TCDAP) представляет собой полупроводниковый материал 12 п-типа. Кристалл TCDAP имеет моноклинную упаковочный мотив со сдвинутыми π-л укладкой между соседними молекулами вдоль оси элементарной ячейки при длине ячейки 3.911 Å. Кристалл растет вдоль этого направления упаковки, чтобы дать длинные иглы. Максимальное п-типа полевой подвижности измеряется вдоль этого направления достигла 3,39 см 2 / В · сек. В отличие от многих органических кристаллов, которые являются хрупкими и ломкими, TCDAP кристалл оказывается очень гибким. В этой работе мы использовали TCDAP в качестве проводящего канала и подготовили монокристаллического полевой транзистор на гибкой подложке OF полиэтилентерефталат (ПЭТ). Мобильность была измерена для кристалла на плоской подложке, с согнутой устройства по направлению к гибкой подложке (вниз) или изогнут в сторону ворот / диэлектрической стороне (снизу вверх). IV Данные анализировались на основе изменений в расстоянии штабелирование / соединение между соседними молекулы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Получение TCDAP 12
- Обобщить TCDAP следуя процедурам литературы 13.
- Очищают продукт TCDAP методом сублимации градиента температур, с тремя температурными зонами , установленным на 340, 270 и 250 ° С, соответственно, под вакуумным давлением 10 -6 Торр 12,14.
2. Вырастить монокристаллы TCDAP Использование переноса из паровой фазы (PVT) системы 14
- Поместите образец TCDAP на одном конце лодки (длиной 5 см) и загружают лодку в стеклянную внутреннюю трубку (длиной 15 см с диаметром 1,2 см).
- Загрузите внутреннюю трубку в более длинную стеклянную трубку (длинной 83 см и 2 см в диаметре) и нажмите на приблизительно 17 см от проема.
- Загрузите длинную стеклянную трубку в медной трубке (60 см в длину и 2,5 см в диаметре) горизонтально закреплен на стойке; убедитесь, что лодка из TCDAP находится в центре зоны нагрева, определенного нагрева полосы аркруглый вырез медной трубки.
- Продувку системы PVT с газообразным гелием при скорости потока 30 см / мин, а затем включите трансформатор для разогрева нагревательного диапазона до 310 ° C; выдерживают при этой температуре в течение двух дней.
- После охлаждения системы до комнатной температуры, собирают кристаллы от внутренней трубки.
Изготовление 3. Устройство
- Поместите 200 мкм толщиной, прозрачный, предварительно вырезанное ПЭТ подложку, (2 см х 1 см) во флакон и очистить его с помощью ультразвука в растворе моющего средства, деионизированной водой и ацетоном, последовательно, в течение 30 минут каждый. Сушат на подложку потока азота.
- Поместите двухстороннюю ленту на подложке ПЭТ.
- Изучение кристаллов под стереомикроскопа. Выберите хорошее качество, блестящие кристаллы с размером ~ 5 мм х ~ 0,03 мм для изготовления устройства. Поместите игольчатую TCDAP кристалл параллельно с длиной ПЭТ подложки на двусторонней клейкой ленты и закрепите его надежно.
- Под стереомикроскопа, применяются ватэр на основе коллоидного графита через микролитр иглу шприца в линию (несколько миллиметров), который проходит от двух концов кристалла, действующего в качестве истока и стока. Подождите около 30 мин для коллоидного графита, чтобы высушить и измерить расстояние между двумя графитовыми пятен под оптическим микроскопом, чтобы определить точную длину канала (держать его на 0,6-1 мм).
- Используйте углерода проводящую ленту, чтобы зафиксировать подложку ПЭТ на предметное стекло. Поместите слайд ближе к концу пиролизной трубки камеры осаждения.
- Взвешивают 0,5 г предшественника диэлектрического изолятора, [2.2] парациклофана, и поместить его вблизи входа трубы пиролиз.
- Откачка систему в вакууме 10 -2 мм рт. Предварительно нагреть зону пиролиза вблизи центра трубки вплоть до предварительно установленной температуры, равной 700 ° С и выдерживают при этой температуре.
- Нагрейте [2,2] парациклофана образца до 150 ° C. Пары предшественника будет проходить через зону пиролизадать мономеры, которые конденсируются вблизи конца трубки пиролизного к полимеризоваться.
- Пусть реакции пиролиза / полимеризации продолжают в течение 2 часов.
- Охладить систему и вынуть образцы из трубки для пиролиза.
- Определить толщину наплавленного слоя диэлектрика путем измерения шага высоты слоя и подложки с использованием профилометра в соответствии с инструкциями изготовителя.
- Применение изопропиловым на основе коллоидного графита через микролитр иглу шприца в линию на обратной стороне диэлектрического слоя над кристаллом, чтобы служить в качестве электрода затвора.
4. Измерьте производительность устройства
- Используйте скальпель, чтобы вырезать отверстие через полимерную диэлектрическую пленку над областью электрода исток / сток, чтобы разоблачить электроды под для подключения.
- С помощью подставки и хомутов, приносят электродные зонды из анализатора параметров в контакт сИсточник / сливные / электроды затвора. Запись IV характеристики при различных потенциалах затвора в соответствии с инструкциями изготовителя.
Примечание: Здесь затворные потенциалы устанавливаются от -60 В до 60 В с шагом 15 V.
5. Гибочные эксперименты
- Для измерения свойств в состоянии при растяжении, завернуть тыльную гибкой подложки ПЭТ вокруг цилиндров разных радиусов (14,0 мм, 12,4 мм, 8,0 мм и 5,8 мм) и фиксируют ПЭТ подложку, в цилиндр с четырех сторон с вакуумной лентой ,
- Подключение зондов к исток / сток / электродов затвора и измерять характеристики IV при различных потенциалах затвора, как описано в разделе 4.2.
- Для измерения в состоянии сжатия, завернуть половина передней стороне ПЭТ подложки вокруг конца цилиндра, таким образом, что кристалл / исток / сток / электроды затвора выходят из цилиндра, и все же по-прежнему подвержены. Закрепить подложку из ПЭТ на цилиндре с вакуумной лентой (см. 5
- Подключение зондов к исток / сток / электродов затвора и измерять характеристики IV при различных потенциалах затвора, как описано в разделе 4.2.
Примечание: изображен вид в поперечном разрезе конструкции устройства показан на рис. 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Единственный анализ кристаллической дифракции рентгеновских лучей показывает , что TCDAP представляет собой расширенную систему π с молекулами упаковки вдоль оси. Рис. 2 показана схема сканирования с помощью порошковой рентгеновской дифракции для TCDAP кристалла. Ряд острых пиков наблюдаются, соответствующие только к семейству (0, к, л) плоскостей, путем сравнения с порошковой дифракции кристалла. Это означало бы , что кристаллическая структура ориентирована , как показано на рис. 3.
Перед тем как изгиб, плоский п-типа TCDAP монокристаллический транзистор дал хорошо разрешенные токи насыщения только для положительных напряжений на затворе (V GS) , когда напряжение затвор варьировали от -60 В до 60 В с шагом 15 V. Это наводит на мысль поведение п-типа (рис. 4а). Рис. 4б показывает , как бревно (синяя линия) и линейный (черная линия) графики тока стока в качестве функции источника стоком бМАТр (V DS) при смещении на затворе 30 В.
Подвижность электронов была рассчитана из вольт-амперных характеристик в линейном режиме в соответствии с уравнением,
или в режиме насыщения в соответствии с уравнением,
где W- ширина канала, L представляет собой длину канала, м является подвижность носителей, C I является емкость на единицу площади диэлектрического изолятора, и V TH является пороговое напряжение, соответственно.
Средняя подвижность 1,42 см 2 / В · сек ивкл / выкл соотношении 10 3 -10 4 , были достигнуты.
Для изгибающего эксперимента, изгиб концов вниз должно вызывать участок канала проводимости вблизи канала / диэлектрик , так что это определяется как "разрыв" состоянии (см. 5 , а ), в то время как изгиб концов вверх будет вызывать сжатие проводящего канала и, таким образом , определяется как "сжимающего" состояние (см. 5 , б). В IV характеристики устройства в его плоском состоянии были проверены после операции противоположных изгибающих к изогнутым состоянии, с радиусом R = 14,0 мм; отходящий ток практически не изменилась (см. 6). Это служит для указания того, что структура устройства восстанавливаемые и что устройство не был разрушен при изгибе в разных направлениях. Затем IV измеряли в согнутом состоянии для состояния при растяжении. Как показано на рис. 7а </ Сильный>, ток уменьшается при изгибе, тем более, с большим изгибом (меньший радиус). Рассчитанное подвижность была представлена как функция от радиуса изгиба. Как показано на рис. 8а, существует четкая тенденция уменьшения подвижности с увеличением изгиба. Таким образом, нисходящий изгиб при R = 14,0 мм привело к снижению подвижности на 6,25%. Снижение мобильности на 12,5%, 25%, и 37,5% для радиусов изгиба 12,4 мм, 8,0 мм и 5,8 мм, соответственно, наблюдались. В противоположность этому , когда устройство отогнута вверх (сжимающую состояние) при R = 14,0 мм, наблюдалось небольшое смещение кривой линейной IV, с увеличенным сдвигом как сгибание увеличилась (рис. 7 , б). Рассчитанная мобильность на основе наклона кривых увеличилась на 5,5%, 12,8%, 15,2% и 19,8% для изогнутого радиусов 14,0 мм 12,4 мм, 8,0 мм и 5,8 мм соответственно (рис. 8б).
В изогнутом кристалле, разные стороны испытывают различные Sпоезда. На вогнутой стороне, молекулы сжимаются, и на выпуклой стороне, молекулы раздвинуты, до некоторой степени в зависимости от кривизны. Таким образом, вверх и вниз изгиб кристалла результата при сжатии и распространении молекул, соответственно, на диэлектрик затвора, что дает увеличение и уменьшение электронной связи соответственно.
Носители заряда в транзисторе, как известно, в течение нескольких монослоев поверхности диэлектрика, а подвижность в основном зависит от непосредственных слоев рядом с диэлектрическим слоем. В данном случае, увеличение мобильности в состоянии сжатия и уменьшение подвижности в состоянии на разрыв должна, скорее всего, из-за изменения межмолекулярного расстояния внутри кристалла. Наши результаты также свидетельствуют о важности электронной муфты в зависимости от межмолекулярного расстояния. В тонком устройстве пленки с поликристаллической зернами, гдеКристаллы могут быть не столь большим, как мы использовали в этих экспериментах, расстояние между зернами также может влиять на изгиб, тем самым создавая аналогичные результаты.
Рисунок 1. иллюстрация Поперечное сечение верхнего контактного монокристаллического полевого транзистора , полученного на гибкой подложке. Истока / стока / электроды затвора , были приготовлены из коллоидного графита, в то время как диэлектрик изолятор был получен из пиролиза [2,2] парациклофана предшественник. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма TCDAP сиngle кристалл укладывают на подложку ПЭТ. Пики были проиндексированы к семейству (0, к, л) плоскостей. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Схематические иллюстрации переноса заряда пути. Переноса заряда вдоль оси, с (0,1,1) плоскости (красная плоскость) параллельно подложке (синяя плоскость). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,
Рисунок 4. I DS -V DS характеристики. (а) Выходные характеристики с затворного напряжения изменялась в пределах от -60 В до 60 В в 15 V шагов и (б) характеристики передачи, которые показывают , как бревно (синяя линия) и линейный (черная линия) злоумышлениям ток стока в зависимости от смещения исток-сток (V DS) при смещении затвора 30 в для TCDAP монокристаллического полевого транзистора (SCFET) на ПЭТ подложку перед сгибанием. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этого цифра.
Рисунок 5. схематические иллюстрации изгибающих экспериментов. (А) вверх состояние сгибание, с краем подложки , обернутой вокруг цилиндра , в то время как часть устройства подвергается воздействию, а также (б) изгиба вниз ГНАте, с подложкой , обернутой вокруг цилиндра. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6. Сравнение характеристик передачи монокристалла на основе полевого транзистора устройства TCDAP. До и после (а) вниз изгиб и (б) вверх изгиб в первый раз , и в четвертый раз к искривлению R = 14,0 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7. Наложение характеристик передаточных гое TCDAP монокристалл на основе полевых транзисторов устройства. изогнутом состоянии для (а) изгиба вниз, и (б) вверх изгиб в различных радиусов изгиба (R = 14,0 мм, Р = 12,4 мм, Р = 8,0 мм, а R = 5,8 мм) . Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 8. Измеренные подвижность в зависимости от радиуса изгиба для монокристалла на основе устройства TCDAP. (А) изгиба вниз. (Б) Восходящий искривление. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом эксперименте ряд параметров влияет на успешное измерение подвижности полевом. Во-первых, монокристалл должен быть достаточно большим, чтобы быть изготовлены в полевом устройстве для измерения свойств. Способ физического переноса пара (PVT) является тот, который позволяет более крупные кристаллы будут выращиваться. Регулируя температуру и скорость потока газа-носителя, кристаллы размером до полсантиметра может быть получена. Во-вторых, выбор одного кристалла имеет важное значение. Очевидным монокристалл может содержать пучки кристаллов, и изгиб может привести к разборке расслоений. Таким образом, предпочтительным является тоньше кристалл. В-третьих, в два раза клейкая лента необходимо держать кристалл в постоянном контакте с поверхностью подложки, а обширные эксперименты показали, что без такой ленты, контакты между кристаллом и диэлектрический слой и / или электрод может смещаться при многократном изгибе операций, так что контактное сопротивление несколько возрастаетй неустойчивые или невоспроизводимые измерения тока получаются. Еще одна проблема заключается в достижении состояния сжимающую, когда концы кристалла загнуты вверх. При укладке гибкой подложки вокруг цилиндра нужного диаметра, кристалл / исток / сток / ворота должны быть доступны с помощью зондов. Это делается путем обертывания края гибкой подложки ПЭТ вокруг конца цилиндра, так что / слива / площадь ворот источника выставлены и доступны для зондов, сохраняя при этом изогнутую подложку.
С точки зрения анализа данных, следует признать, что изгиб гибкой подложки может привести к изменению толщины диэлектрического слоя и в емкости. Хотя это возможно изменение не учитывается при расчете подвижности, следует отметить, что это изменение должно быть независимо от направления изгибания. Однако противоположная тенденция к изменению подвижности следует исключить возможность изменения мобильности быть из-за тон Изменение емкости. Качество монокристалла будет иметь большое влияние на измеренное подвижности. Для получения данных , показанных на рисунке 8, наблюдалась большая разница в подвижности для двух кристаллов, предположительно из - за качества кристаллов , выбранных. Тем не менее, тенденции изменения подвижности при сгибании, что серьезную озабоченность в этой работе, служат основой для выводов, полученных из экспериментов.
В отличие от существующей технологии 11, где кристалл предварительно изгибают , а затем помещают на плоскую подложку для измерения, наш метод позволяет измерять ток в состоянии на разрыв, а также состояние сжимающего. В предыдущей методике, только ток, проходящий по кратчайшему пути, то есть, состояние сжатия, может быть измерено. Этот метод позволяет различные электрические свойства должны быть измерены непосредственно на гибких подложках.
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.
- 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).
