Summary
Este manuscrito describe el proceso de plegado de un solo campo transistor de efecto a base de cristal orgánico para mantener en funcionamiento un dispositivo para la medición de la propiedad electrónica. Los resultados sugieren que las causas de flexión cambios en la separación molecular en el cristal y por lo tanto en la tasa de salto de carga, que es importante en la electrónica flexible.
Abstract
El transporte de carga en un semiconductor orgánico depende en gran medida del empaquetamiento molecular en el cristal, que influye en el acoplamiento electrónico inmensamente. Sin embargo, en la electrónica suaves, en los que los semiconductores orgánicos juegan un papel crítico, los dispositivos pueden doblar o plegar repetidamente. El efecto de la flexión del cristal de embalaje y por tanto el transporte de la carga es crucial para el rendimiento del dispositivo. En este manuscrito, se describe el protocolo para doblar un único cristal de 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) en la configuración de transistor de efecto de campo y para obtener características reproducibles IV al doblarse el cristal. Los resultados muestran que la flexión de un transistor de efecto de campo preparado en un flexibles resultados de sustrato en las tendencias todavía opuestos casi reversibles en la movilidad de carga, dependiendo de la dirección de doblado. La movilidad aumenta cuando el dispositivo está doblada hacia el / capa dieléctrica superior de la puerta (hacia arriba, el estado de compresión) y disminuye cuando sent hacia el lado del cristal / sustrato (a la baja, el estado de tracción). También se observó el efecto de curvatura de flexión, con un cambio mayor movilidad que da mayor curvatura de flexión. Se sugiere que los cambios intermoleculares distancia π-π al doblarse, lo que influye en el acoplamiento electrónico y la posterior capacidad de transporte de portadores.
Introduction
Dispositivos electrónicos suaves, tales como sensores, monitores, portátiles y electrónica, se están diseñando actualmente e investigados de manera más activa, y muchos incluso se han lanzado en el mercado en los últimos años 1,2,3,4. Materiales semiconductores orgánicos juegan un papel importante en estos dispositivos electrónicos, debido a sus ventajas inherentes, incluyendo bajo coste de desarrollo, la capacidad de ser preparado en solución o a bajas temperaturas, y, en particular, su flexibilidad en comparación con semiconductores inorgánicos 5,6. Una consideración especial para estos dispositivos electrónicos es que van a ser sometidos a flexión frecuente. Doblado introduce tensión en los componentes y los materiales dentro del dispositivo. Un rendimiento estable y consistente es necesario ya que los productos estén dobladas. Los transistores son un componente vital en la mayor parte de estos dispositivos electrónicos, y su rendimiento bajo flexión es de interés. Un número de estudios han abordado este problema de rendimiento doblando t orgánicahin película de transistores 7,8. Mientras que los cambios en la conductancia al doblarse se pueden atribuir a los cambios en la separación entre los granos en una película delgada policristalina, una pregunta más fundamental para hacerse es si la conductancia puede cambiar dentro de un único cristal a la flexión. Es bien aceptado que el transporte de carga entre moléculas orgánicas depende fuertemente de acoplamiento electrónico entre las moléculas y la energía de reorganización involucrado en la interconversión entre los estados neutros y cargados 9. acoplamiento electrónico es altamente sensible a la distancia entre las moléculas vecinas y para el solapamiento de orbitales moleculares de frontera. La flexión de un cristal bien ordenada introduce cepa y puede cambiar la posición relativa de las moléculas dentro del cristal. Esto se puede comprobar con una sola de efecto de campo transistor a base de cristal. En un informe se utiliza monocristales de rubreno sobre un sustrato flexible para estudiar el efecto del espesor de cristal al doblarse 10. Delawarevicios con cristales de nanocables ftalocianina de cobre preparados en un sustrato plano mostraron tener una mayor movilidad al doblarse 11. Sin embargo, las propiedades de un dispositivo de doblado FET en diferentes direcciones no han sido exploradas.
La molécula de 5,7,12,16-tetracloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) es un material semiconductor de tipo n 12. El cristal de TCDAP tiene un motivo de embalaje monoclínica con desplazado apilamiento π-π entre moléculas vecinas a lo largo del eje de la celda unidad a la longitud de la célula de 3.911 Å. El cristal crece a lo largo de esta dirección de empaque para dar agujas largas. El máximo de tipo n de efecto de campo movilidad medido largo de esta dirección llegó a 3,39 cm 2 / V · seg. A diferencia de muchos cristales orgánicos que son quebradizos y frágiles, cristal TCDAP se encuentra para ser altamente flexible. En este trabajo se utilizó TCDAP como el canal de conducción y preparó el cristal único transistor de efecto de campo sobre un sustrato flexible otereftalato de polietileno f (PET). La movilidad se midió para el cristal sobre un sustrato plano, con el dispositivo de inclinación hacia el sustrato flexible (hacia abajo) o doblado hacia el / lado dieléctrico de la compuerta (hacia arriba). IV datos fueron analizados con base en los cambios en la distancia de apilamiento / acoplamiento entre los vecinos moléculas.
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Protocol
1. Preparación de TCDAP 12
- TCDAP sintetizar siguiendo procedimientos de la bibliografía 13.
- Se purifica el producto TCDAP por el método de sublimación con gradiente de temperatura, con las tres zonas de temperatura a 340, 270, y 250 ° C, respectivamente, bajo una presión de vacío de 10 Torr -6 12,14.
2. crecer monocristales de TCDAP usando una transferencia física de vapor (PVT) Sistema 14
- Coloque la muestra TCDAP en un extremo de un barco (5 cm de largo) y cargar el barco en un tubo interior de vidrio (15 cm de largo con un diámetro de 1,2 cm).
- Cargar el tubo interior en un tubo de vidrio más largo (83 cm de largo y 2 cm de diámetro) y empujarlo en a aproximadamente 17 cm desde la abertura.
- Cargar el tubo de vidrio larga en un tubo de cobre (60 cm de largo y 2,5 cm de diámetro) fijado horizontalmente sobre una rejilla; asegúrese de que el barco de TCDAP se encuentra en el medio de la zona de calentamiento definido por una banda de calentamiento arOundu el tubo de cobre.
- Purgar el sistema PVT con gas helio a una velocidad de flujo de 30 cc / min, y luego encienda el transformador para calentar la banda de calentamiento a 310 ° C; mantener a esta temperatura durante dos días.
- Después de enfriar el sistema a temperatura ambiente, recoger los cristales de la cámara de aire.
Fabrication 3. Dispositivo
- Ponga un 200-m de espesor, transparente, pre-cortar sustrato PET (2 cm x 1 cm) en un vial y limpiarlo por sonicación en solución de detergente, agua desionizada, y acetona, en secuencia, para 30 min cada uno. Se seca el sustrato mediante flujo de nitrógeno.
- Coloque la cinta de doble cara en el sustrato de PET.
- Examinar los cristales bajo un microscopio estereoscópico. Seleccione buena calidad, los cristales brillantes con una dimensión de ~ 5 mm x ~ 0,03 mm para la fabricación del dispositivo. Colocar un cristal TCDAP paralelo en forma de aguja con la longitud del sustrato de PET en la cinta de doble cara y fijarlo con seguridad.
- Bajo un microscopio estereoscópico, aplicar watgrafito coloidal basado en er a través de una aguja de jeringa de microlitros en una línea (varios mm) que se extiende desde los dos extremos del cristal que actúa como la fuente y el drenaje. Espere alrededor de 30 min para el grafito coloidal para secar y medir la distancia entre los dos puntos de grafito bajo un microscopio óptico para determinar la longitud del canal exacto (mantenerlo a 0,6 a 1 mm).
- Use cinta conductora de carbono para fijar el sustrato de PET en un portaobjetos de microscopio. Colocar el portaobjetos cerca del extremo del tubo de pirólisis de la cámara de deposición.
- Pesar 0,5 g del precursor del aislante dieléctrico, [2.2] paraciclofano, y colocarlo cerca de la entrada del tubo de pirólisis.
- Bombear el sistema a un vacío de 10 -2 Torr. Pre-calentar la zona de pirólisis cerca del centro del tubo hasta una temperatura prefijada de 700 ° C y mantener a esta temperatura.
- Calentar la muestra [2.2] paraciclofano a 150 ° C. Los vapores del precursor pasarán a través de la zona de pirólisispara dar a los monómeros, que condensar cerca del extremo del tubo de pirólisis para polimerizar.
- Deje que la reacción de pirólisis / polimerización continúe durante 2 horas.
- Enfriar el sistema y sacar las muestras del tubo de pirólisis.
- Determine el espesor de la capa dieléctrica depositada por la medición de la altura de los escalones de la capa y el sustrato usando un perfilómetro de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
- Aplicar basado en isopropanol de grafito coloidal a través de una aguja de jeringa de microlitros en una línea en la parte posterior de la capa dieléctrica por encima del cristal para servir como el electrodo de puerta.
4. Medir el rendimiento del dispositivo
- Utilice el bisturí para cortar un agujero a través de la película dieléctrica de polímero por encima de la zona de electrodo de fuente / drenaje con el fin de exponer los electrodos debajo para la conexión.
- Con la ayuda de un soporte y abrazaderas, llevar las sondas de electrodos desde el analizador de parámetros en contacto conlos electrodos de fuente / drenaje / Gate. Registrar las características IV en diferentes potenciales de puerta de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Nota: En este caso, los potenciales de puerta se establecen desde -60 V a 60 V a 15 V pasos.
5. Experimentos Doblado
- Para medir las propiedades en el estado de tracción, envolver la parte posterior del sustrato PET flexible alrededor de cilindros de diferentes radios (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm, y 5,8 mm) y fijar el sustrato de PET al cilindro en los cuatro lados con la cinta de vacío .
- Conectar las sondas para los electrodos de fuente / drenaje / puerta y medir las características IV en diferentes potenciales de puerta como se describe en 4.2.
- Para medir en el estado de compresión, envolver la mitad de la parte frontal del sustrato de PET en todo el extremo de un cilindro, de manera que los electrodos de cristal / fuente / drenaje / de puerta se enfrentan al cilindro y, sin embargo todavía están expuestos. Fijar el sustrato PET sobre el cilindro con la cinta de vacío (véase la Fig. 5
- Conectar las sondas para los electrodos de fuente / drenaje / puerta y medir las características IV en diferentes potenciales de puerta como se describe en 4.2.
NOTA: Una ilustración en sección transversal de la estructura del dispositivo se muestra en la Fig. 1.
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Representative Results
El análisis de cristal único de difracción de rayos X revela que TCDAP es un sistema π extendida con moléculas de embalaje a lo largo del eje a. Fig. 2 muestra el patrón de escaneo por XRD en polvo para un cristal TCDAP. se observó una serie de picos agudos, que corresponde solamente a la familia de (0, k, ℓ) planos, mediante la comparación con el patrón de difracción de polvo del cristal. Esto implicaría que la estructura cristalina está orientado como se muestra en la Fig. 3.
Antes de la flexión, la de tipo n plana TCDAP transistor de un solo cristal dio corrientes de saturación bien resueltas sólo para tensiones de puerta positivos (V GS) cuando el voltaje de la puerta se varió de -60 V a 60 V en 15 V pasos. Esto sugiere un comportamiento de tipo n (Fig. 4a). Fig. 4b muestra tanto el registro (línea azul) y las parcelas lineal (línea de color negro) de la corriente de drenaje como una función fuente-drenaje bNIC (V DS) a una polarización de puerta de 30 V.
La movilidad de los electrones se calculó a partir de las características IV en el régimen lineal de acuerdo con la ecuación,
o en el régimen de saturación de acuerdo con la ecuación,
donde W es la anchura del canal, L es la longitud del canal, m es la movilidad del portador, C i es la capacitancia por unidad de superficie del aislante dieléctrico, y V TH es el voltaje umbral, respectivamente.
Una movilidad media de 1,42 cm2 / V · seg yse consigue una relación de encendido / apagado de 10 3 -10 4.
Para el experimento de flexión, la flexión de los extremos hacia abajo debe inducir un tramo del canal de conducción cerca de la interfaz de canal / dieléctrico de modo que esta se define como el estado "tracción" (véase la Fig. 5a), mientras que la flexión de los extremos hacia arriba inducirá una compresión del canal de conducción y por lo tanto se define como el estado de "compresión" (ver Fig. 5b). Las características IV del dispositivo en su estado plano se comprobaron después de las operaciones de plegado opuestas al estado curvado, con un radio R = 14,0 mm; el fuera de corriente prácticamente no cambió (ver Fig. 6). Esto sirvió para indicar que la estructura del dispositivo se puede restaurar y que el dispositivo no fue destruida al doblarse en diferentes direcciones. A continuación, la IV se midió en el estado doblado para el estado de tensión. Como se muestra en la Fig. 7a </ Strong>, la corriente disminuyó con la flexión, más aún con más flexión (radio menor). La movilidad calculada se representó gráficamente como una función del radio de flexión. Como se muestra en la Fig. 8a, hay una clara tendencia de disminución de la movilidad con el aumento de la flexión. Por lo tanto, una curva hacia abajo en R = 14,0 mm causó una reducción de la movilidad de 6,25%. reducciones de movilidad de 12,5%, 25%, y 37,5% para los radios de curvatura a 12,4 mm, 8,0 mm, y 5,8 mm, respectivamente, se observaron. Por el contrario, cuando el dispositivo se inclinaba hacia arriba (estado de compresión) en R = 14,0 mm, se observó un ligero desplazamiento de la curva lineal IV, con un aumento del cambio como la flexión aumentado (Fig. 7b). La movilidad calculada sobre la base de la pendiente de las curvas de crecimiento del 5,5%, 12.8%, 15.2% y 19.8% para los radios de doblado de 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm y 5,8 mm, respectivamente (Fig. 8b).
En un cristal curvado, diferentes lados experimentan diferentes strenes. En el lado cóncavo, las moléculas se comprimen, y en el lado convexo, las moléculas se separen, en una medida en función de la curvatura. Por lo tanto, la flexión hacia arriba y hacia abajo del resultado de cristal en la compresión y la propagación de las moléculas, respectivamente, en la interfaz de dieléctrico de la compuerta, dando un acoplamiento electrónico aumentando y disminuyendo, respectivamente.
Los portadores de carga en un transistor son conocidos por ser dentro de varias monocapas de la superficie dieléctrica, y la movilidad se ve afectada principalmente por las capas inmediatas al lado de la capa dieléctrica. En el caso actual, el aumento de la movilidad en el estado de compresión y la movilidad decreciente en el estado de tracción deben muy probablemente debido al cambio en el espaciamiento intermolecular dentro del cristal. Nuestros resultados atestiguan aún más la importancia de acoplamiento electrónico como una función de la distancia intermolecular. En un dispositivo de película delgada con granos policristalinos, donde elcristales pueden no ser tan grande como se utilizó en estos experimentos, la distancia entre los granos también puede verse afectada por la flexión, generando de ese modo resultados similares.
Figura 1. ilustración en sección transversal de la parte superior-de contactos de cristal único transistor de efecto de campo preparado sobre un sustrato flexible. Los electrodos de fuente / drenaje / compuerta se prepararon a partir de grafito coloidal, mientras que el aislante dieléctrico se preparó a partir de la pirólisis [2.2] precursor de paraciclofano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Polvo patrón de difracción de rayos X de la IS TCDAPcristal ngle establecido en el sustrato de PET. Los picos fueron indexadas a la familia de aviones (0, k, l). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Ilustraciones esquemáticas de la vía de transporte de carga. El transporte de carga a lo largo del eje, con el (0,1,1) plano (plano rojo) paralelo al sustrato (plano azul). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .
Figura 4. I -V características DS DS. (a) Las características de salida con la tensión de puerta varía de -60 V a 60 V en 15 pasos y V (b) las características de transferencia, que muestran tanto el registro (línea azul) y lineal (línea de color negro) parcelas de la drenar la corriente en función de sesgo fuente de la fuga (V DS) a una polarización de puerta de 30 V para un TCDAP de cristal único transistor de efecto campo (SCFET) sobre un sustrato de PET antes de doblar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. ilustraciones esquemáticas de los experimentos de flexión. (A) El estado doblado hacia arriba, con el borde del sustrato envuelto alrededor de un cilindro, mientras que la parte del dispositivo está expuesta, y (b) la sta hacia abajo flexiónte, con el sustrato envuelto alrededor de un cilindro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Comparación de las características de transferencia del único dispositivo FET a base de cristal TCDAP. Antes y después de (a) la baja de flexión y (b) hacia arriba doblando la primera vez y la cuarta vez a una curvatura R = 14,0 mm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. Una superposición de las características de transferencia de THe TCDAP solo dispositivo FET a base de cristal. estado doblado para (a) de doblado hacia abajo, y (b) la flexión hacia arriba en diferentes radios de curvatura (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm, y R = 5,8 mm) . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Medido movilidad como una función del radio de flexión para el dispositivo basado en cristal único TCDAP. (A) de doblado hacia abajo. (B) Hacia arriba flexión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
En este experimento, una serie de parámetros afecta a la medición satisfactoria de la movilidad de efecto de campo. En primer lugar, el cristal único debe ser lo suficientemente grande para ser fabricado en un dispositivo de efecto de campo para la medición de la propiedad. El método de transferencia física de vapor (PVT) es la que permite que los cristales más grandes para ser cultivadas. Mediante el ajuste de la temperatura y el caudal del gas portador, cristales de tamaños hasta medio centímetro puede ser obtenido. En segundo lugar, la elección de un único cristal es importante. Un cristal único aparente puede contener haces de cristales, y la flexión puede causar disimulo de los haces. Por lo tanto, se prefiere un cristal más fino. En tercer lugar, un doble cara de cinta es necesario para mantener el cristal en contacto constante con la superficie del sustrato, como extensos experimentos mostraron que sin dicha cinta, los contactos entre el cristal y la capa dieléctrica y / o electrodo pueden cambiar en múltiples operaciones de plegado, por lo que aumenta la resistencia de contacto de unand se obtienen mediciones de corriente inestables o irreproducibles. Otra cuestión es lograr el estado de compresión, cuando los extremos de cristal se doblen hacia arriba. Al envolver el sustrato flexible alrededor de un cilindro de diámetro apropiado, el cristal / fuente / drenaje / puerta tiene que ser accesible por las sondas. Esto se realiza envolviendo el borde del sustrato PET flexible alrededor del extremo del cilindro, de modo que el / drenaje área de origen / puerta están expuestos y accesibles a las sondas, manteniendo el sustrato curvo.
En términos de análisis de datos, se reconoce que la flexión del sustrato flexible podría causar un cambio en el espesor de la capa dieléctrica y de la capacitancia. Aunque este posible cambio no se considera en el cálculo de la movilidad, se observa que este cambio debe ser independiente de la dirección de la flexión. Sin embargo, la tendencia opuesta en los cambios de movilidad debe eliminar la posibilidad de cambios de movilidad ser debido a tque capacitancia cambio. La calidad de un solo cristal tendrá mucha influencia en la movilidad medido. Para los datos mostrados en la Figura 8, se observó una amplia diferencia en la movilidad de los dos cristales, presumiblemente debido a la calidad de los cristales elegidos. Sin embargo, las tendencias del cambio de la movilidad en flexión, lo que es motivo de gran preocupación en este trabajo, forman la base de las conclusiones derivadas de los experimentos.
En contraste con la tecnología actual 11, en donde un cristal es primero doblado y luego se coloca en un sustrato plano para la medición, nuestro método permite la medición de la corriente en el estado de tracción, así como el estado de compresión. En la técnica anterior, sólo la corriente que pasa a través de la ruta más corta, es decir, el estado de compresión, se puede medir. Este método permite una variedad de propiedades eléctricas para medir directamente sobre sustratos 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
- 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).
