Summary
Dit manuscript beschrijft het buigproces van een organisch monokristallijn gebaseerde veldeffecttransistor een functionerende inrichting voor het meten van de eigenschappen elektronische handhaven. De resultaten suggereren dat veroorzaakt buiging in molecuulstructuur tussenruimte in het kristal en dus de lading hopdosering, wat belangrijk is in flexibele elektronica.
Abstract
Het ladingstransport in een organische halfgeleider is sterk afhankelijk van de moleculaire pakking in het kristal, die de elektronische koppeling enorm beïnvloedt. In zachte elektronica, waarbij organische halfgeleiders een cruciale rol speelt, de apparaten worden gebogen of herhaaldelijk gevouwen. Het effect van het buigen op de kristalpakking en dus het ladingstransportkanaal is cruciaal voor de werking van het apparaat. In dit manuscript beschrijven we het protocol bij een eenkristal 5,7,12,16-tetrachloor-6,13-diazapentacene (TCDAP) in het veldeffekttransistor configuratie buigen en reproduceerbaar IV karakteristieken van het kristal buiging verkrijgen. De resultaten tonen dat het buigen van een veldeffect transistor opgesteld op een flexibel substraat resulteert in nagenoeg reversibel Nog tegengestelde bewegingen mobiliteit belast, afhankelijk van de buigrichting. De mobiliteit neemt toe wanneer de inrichting wordt gebogen naar de boven-gate / diëlektrische laag (omhoog, samendrukkende toestand) en neemt af wanneer zijnnt in de richting van het kristal / substraat zijde (naar beneden, trek staat). Het effect van het buigen kromming werd ook waargenomen, met een grotere verandering mobiliteit dankzij hogere buigen kromming. Gesuggereerd wordt dat de intermoleculaire π-π afstand verandert bij buigen, waardoor de elektronische koppeling en de daaropvolgende carrier transportvermogen beïnvloeden.
Introduction
Zachte elektronische apparaten, zoals sensoren, displays en draagbare elektronica, worden momenteel ontworpen en actiever onderzocht, en velen zijn zelfs gelanceerd in de markt in de afgelopen jaren 1,2,3,4. Organische halfgeleidende materialen een belangrijke rol in deze elektronische inrichtingen spelen vanwege hun specifieke voordelen, zoals lage ontwikkelingskosten, het vermogen om te worden bereid in oplossing of bij lage temperaturen, en in het bijzonder de flexibiliteit in vergelijking met anorganische halfgeleiders 5,6. Een speciale aandacht voor deze elektronica is dat ze worden blootgesteld aan veelvuldig buigen. Buigen introduceert spanning in de componenten en de materialen in de inrichting. Een stabiele en consistente prestaties vereist zijn als dergelijke inrichtingen worden gebogen. Transistors zijn een essentieel onderdeel van de meeste van deze elektronica en hun prestaties onder buiging van belang. Een aantal studies hebben deze voorstelling probleem aangepakt door het buigen van organische thin film transistors 7,8. Terwijl de veranderingen in de geleiding bij buigen kan worden toegeschreven aan veranderingen in de afstand tussen de korrels in een polykristallijne dunne film, een meer fundamentele vraag is of de geleiding in een monokristal kan veranderen bij buigen. Het is algemeen aanvaard dat ladingstransport tussen organische moleculen is sterk afhankelijk van de elektronische koppeling tussen moleculen en de reorganisatie energie die betrokken zijn bij de onderlinge tussen de neutrale en geladen staten 9. Elektronische koppeling is zeer gevoelig voor de afstand tussen naburige moleculen en de overlap van grens moleculaire orbitalen. Het buigen van een geordende kristallen introduceert spanning en kunnen de relatieve positie van moleculen in het kristal te veranderen. Dit kan worden getest met een monokristallijn gebaseerde veldeffecttransistor. Een verslag gebruikt eenkristallen van rubreen op een flexibel substraat om het effect van kristaldikte studie bij buigen 10. deondeugden met koperftalocyanine nanodraad kristallen voorbereid op een vlakke ondergrond werden naar een hogere mobiliteit bij buigen 11. De eigenschappen van een FET inrichting gebogen in verschillende richtingen zijn niet onderzocht.
Het molecuul 5,7,12,16-tetrachloor-6,13-diazapentacene (TCDAP) een n-type halfgeleider materiaal 12. Het kristal van TCDAP heeft monokliene pakking motief met verschoven π-π stacking tussen naburige moleculen langs de a-as van de eenheidscel in een cel lengte van 3,911 Å. Het kristal groeit langs deze verpakking richting om lange naalden te geven. De maximale n-type veldeffect mobiliteit gemeten in deze richting bereikt 3,39 cm 2 / V-sec. In tegenstelling tot veel organische kristallen die bros en breekbaar zijn, wordt TCDAP kristallen gevonden zeer flexibel te zijn. In dit werk, gebruikten we TCDAP als het geleidende kanaal en bereidde de eenkristal veldeffekttransistor op een flexibel substraat of polyethyleentereftalaat (PET). Mobiliteit werd gemeten voor de kristal op een vlak substraat, de inrichting gebogen richting van het flexibele substraat (beneden) of gebogen naar de poort / diëlektricum zijde (boven). IV gegevens werden geanalyseerd op basis van veranderingen in de stapelvolgorde / koppeling afstand tussen de naburige moleculen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereiding van TCDAP 12
- Synthetiseren TCDAP door het volgen van de literatuur procedures 13.
- Zuiver het product TCDAP door de temperatuur-gradiënt sublimeren, met drie temperatuurzones ingesteld op 340, 270 en 250 ° C gesteld, onder een vacuümdruk van 10 -6 Torr 12,14.
2. Grow Single Kristallen van TCDAP Met behulp van een Physical Vapor Transfer (PVT) System 14
- Zet de TCDAP monster aan één uiteinde van een boot (5 cm lang) en laadt de boot in een glazen binnenbuis (15 cm lang met een diameter van 1,2 cm).
- Laad de binnenband in een glazen buis langer (83 cm lang en 2 cm in diameter) en druk deze naar ongeveer 17 cm vanaf de opening.
- Laad de lange glazen buis in een koperen buis (60 cm lang en 2,5 cm in diameter) horizontaal bevestigd op een frame; zorg ervoor dat de boot van TCDAP is gelegen in het midden van het verwarmen gebied gedefinieerd door een verwarmings- band arond de koperen buis.
- Spoel de PVT-systeem met heliumgas bij een stroomsnelheid van 30 cc / min, en zet de transformator te warmen de verwarming band tot 310 ° C; op deze temperatuur gehouden gedurende twee dagen.
- Na afkoelen van het systeem tot kamertemperatuur, verzamel de kristallen uit de binnenbuis.
3. Device Fabrication
- Zet een 200 urn dikke, transparante, voorgesneden PET substraat (2 cm x 1 cm) in een flesje en schoonmaken door sonicatie in reinigingsmiddel, gedeïoniseerd water en aceton, achtereenvolgens voor 30 minuten elk. Droog het substraat door stikstofstroom.
- Plaats de dubbelzijdige tape op de PET-substraat.
- Onderzoek de kristallen onder een stereomicroscoop. Kies een goede kwaliteit, glanzende kristallen met een afmeting van ~ 5 mm x ~ 0,03 mm voor het apparaat fabricage. Plaats een naaldachtige TCDAP kristal parallel met de lengte van de PET substraat op de dubbelzijdige tape en bevestig deze stevig.
- Onder een stereomicroscoop, van toepassing water-gebaseerde colloïdaal grafiet door een microliter injectienaald in een lijn (enkele mm) die zich uitstrekt van beide uiteinden van het kristal als de toe- en afvoerzones. Wacht ongeveer 30 minuten voor het colloïdaal grafiet te drogen en meet de afstand tussen de twee grafiet plekken onder een optische microscoop om de exacte kanaallengte bepalen (houdt deze 0,6-1 mm).
- Gebruik carbon geleidende tape om de PET substraat vast te stellen op een microscopisch dia. Plaats het preparaat aan het einde van de pyrolyse buis van de afzettingskamer.
- Weeg 0,5 g van de voorloper van de diëlektrische isolator, [2,2] -paracyclofaan en plaats het niet bij de inlaat van de buis pyrolyse.
- Pomp het systeem aan een vacuüm van 10 -2 Torr. Verwarm de pyrolyse zone nabij het midden van de buis tot een vooraf ingestelde temperatuur van 700 ° C en op deze temperatuur gehouden.
- Verwarm het [2.2] -paracyclofaan monster tot 150 ° C. De dampen van de voorloper zal door de pyrolyse zone passerende monomeren, die condenseren het einde van de pyrolyse buis te polymeriseren.
- Laat de pyrolyse / polymerisatiereactie voortgaan gedurende 2 uur.
- Afkoelen van het systeem en haal de monsters uit de pyrolyse buis.
- Bepaal de dikte van de afgezette diëlektrische laag door meting van de hoogte van de trede en het substraat met een profilometer volgens de instructies van de fabrikant.
- Toepassen-isopropanol gebaseerde colloïdaal grafiet door een microliter injectienaald in een lijn op de achterkant van de diëlektrische laag boven het kristal te dienen als de poortelektrode.
4. Meet de prestaties van het apparaat
- Gebruik de scalpel een gat dwars door de polymere diëlektrische film boven de source / drain-elektrode gebied om de elektroden bloot eronder voor aansluiting.
- Met de hulp van een tribune en klemmen, breng de elektrode probes van de Parameter Analyzer in contact komen metde source / drain / gate-elektroden. Noteer de IV kenmerken op verschillende potentialen gate volgens de instructies van de fabrikant.
Opmerking: Hier worden de gate potentialen ingesteld van -60 V tot 60 V 15 V stappen.
5. Buigen Experimenten
- Om de woningen in de trek- overheidsmaatregel, wikkel de achterzijde van het flexibele PET substraat rond cilinders van verschillende radii (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm en 5,8 mm) en bevestig de PET-substraat aan de cilinder aan vier zijden met vacuüm tape .
- Sluit de probes aan de source / drain / gate-elektroden en meet de IV kenmerken op verschillende potentialen poort zoals beschreven in 4.2.
- Te meten in de samendrukkende toestand wikkel helft van de voorzijde van het PET substraat rond het einde van een cilinder, zodanig dat het kristal / source / drain / gate elektroden tegenover de cilinder en toch nog steeds blootgesteld. Bevestig de PET substraat op de cilinder met vacuüm tape (zie Fig. 5
- Sluit de probes aan de source / drain / gate-elektroden en meet de IV kenmerken op verschillende potentialen poort zoals beschreven in 4.2.
OPMERKING: Een dwarsdoorsnede van de inrichting structuur getoond in Fig. 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De single crystal XRD analyse blijkt dat TCDAP is een uitgebreide π-systeem met moleculen inpakken langs de A-as. Fig. 2 toont de scan patroon van poeder XRD voor een TCDAP kristal. Een reeks scherpe pieken waargenomen, overeenkomend alleen tot de familie van (0, k, ℓ) vlakken door vergelijking met het poeder diffractiepatroon van het kristal. Dit zou impliceren dat de kristalstructuur georiënteerd is zoals getoond in Fig. 3.
Voor het buigen, de platte n-type TCDAP eenkristal transistor gaf goed opgelost verzadiging stromen alleen positieve gatespanning (VGS) wanneer de poortspanning werd gevarieerd van -60 V tot 60 V 15 V stappen. Dit suggereert n-type gedrag (fig. 4a). Fig. 4b toont zowel de log (blauwe lijn) en de lineaire (zwarte lijn) percelen van de huidige afvoer als een functie source-drain bias (VDS) bij een gate voorspanning van 30 V.
De elektronenmobiliteit werd berekend uit de IV kenmerken in het lineaire regime volgens de vergelijking,
of in de verzadigde regime volgens de vergelijking,
waarin W de kanaalbreedte, L de kanaallengte, m de dragermobiliteit, Ci de capaciteit per oppervlakte-eenheid van de diëlektrische isolator, en VTH is de drempelspanning respectievelijk.
Een gemiddelde mobiliteit van 1,42 cm2 / V-sec eneen aan / uit-verhouding van 10 3 -10 4 behaald.
Voor het buigen experiment buigen van de uiteinden verlaagd moest een gedeelte van het geleidingskanaal nabij het kanaal / diëlectricum-interface induceren zodat deze wordt gedefinieerd als de "trek" toestand (zie fig. 5a), terwijl het buigen van de uiteinden omhoog zal induceren een compressie van het geleidende kanaal en derhalve gedefinieerd als de "compressie" toestand (zie fig. 5b). De IV kenmerken van de inrichting in zijn vlakke toestand werden gecontroleerd na tegengestelde buigbewerkingen de gebogen toestand, met een straal R = 14,0 mm; de off-current vrijwel niet veranderd (zie fig. 6). Dit diende om aan te geven dat de inrichting structuur herstelbaar is en dat de inrichting niet werd vernietigd bij buigen in verschillende richtingen. Vervolgens werd de IV gemeten op de gebogen toestand de treksterkte staat. Zoals getoond in Fig. 7a </ Strong>, de huidige daalde met buigen, meer nog met meer buiging (kleinere straal). De berekende mobiliteit werd uitgezet als functie van de radius van buiging. Zoals getoond in Fig. 8a, is er een duidelijke trend van verminderde mobiliteit met een verhoogde buigen. Dus een neerwaartse bocht R = 14,0 mm veroorzaakte een reductie van de mobiliteit van 6,25%. Mobiliteit verminderingen 12,5%, 25% en 37,5% voor buigradius bij 12,4 mm, 8,0 mm en 5,8 mm, respectievelijk, werden waargenomen. Wanneer daarentegen het apparaat omhoog is gebogen (samendrukkende toestand) en R = 14,0 mm, een kleine verandering van de lineaire curve IV werd waargenomen, met een verhoogd shift toonbuiging toegenomen (Fig. 7b). De berekende mobiliteit op basis van de helling van de krommen toe met 5,5%, 12,8%, 15,2% en 19,8% voor gebogen stralen van 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm en 5,8 mm, respectievelijk (Fig. 8b).
In een gebogen kristal, verschillende kanten ervaren verschillende streinen. Aan de concave zijde, worden de moleculen gecomprimeerd en aan de convexe zijde, de moleculen uit elkaar, in een mate afhankelijk van de kromming. Dus de opwaartse en neerwaartse buiging van kristallen resulteren in compressie en verspreiding van de moleculen, respectievelijk aan het poortdiëlectricum interface waardoor een toenemende en afnemende elektronische koppeling, resp.
De ladingsdragers in een transistor waarvan bekend is binnen enkele monolagen van het diëlektrische oppervlak en de mobiliteit wordt voornamelijk beïnvloed door de onmiddellijke lagen naast de diëlektrische laag. In het onderhavige geval, moet de toenemende mobiliteit in de druk- staat en het verminderen van de mobiliteit in de trek- staat het meest waarschijnlijk te wijten aan de verandering in de intermoleculaire afstanden in het kristal. Onze resultaten verder getuigen van het belang van de elektronische koppeling als functie van de intermoleculaire afstand. In een dunne film toestel met polykristallijne korrels, waarbij dekristallen kunnen niet zo groot als we in deze experimenten, kan de afstand tussen de korrels ook beïnvloed door buigen, waardoor vergelijkbare resultaten genereren.
Figuur 1. illustratie van de top-contact eenkristal veldeffecttransistor opgesteld op een flexibel substraat Transversaal. De source / drain / gate elektroden werden bereid uit colloïdaal grafiet, terwijl de diëlektrische isolator bereid uit pyrolyse van de [2,2] -paracyclofaan precursor. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Poeder röntgen diffractie patroon van de TCDAP sigelegd op de PET-substraat ngle kristal. De pieken werden geïndexeerd aan de familie van de (0, k, ℓ) vlakken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Schematische illustraties van het ladingstransport pad. Het ladingstransport langs de A-as, met de (0,1,1) vlak (rood vlak) parallel aan het substraat (blauwe vlak). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .
Figuur 4. I -V DS DS kenmerken. (a) De output kenmerken met de gate spanning varieerde van -60 V tot 60 V in 15 V stappen en (b) de overdracht kenmerken, die zowel de log (blauwe lijn) en lineaire (zwarte lijn) tonen plots van de drain stroom als functie van de source-drain vertekening (V DS) bij een gate voorspanning van 30 V voor een TCDAP enkel kristal field-effect transistor (SCFET) op een PET substraat voor het buigen. klik hier om een grotere versie van deze foto figuur.
Figuur 5. Schematische afbeeldingen van de buiging experimenten. (A) De opwaartse buiging staat met de rand van het substraat rond een cylinder terwijl het apparaat deel wordt blootgesteld, en (b) het neerwaarts buigen staTE, met het substraat rond een cilinder. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Vergelijking van de overdracht kenmerken van de TCDAP single-crystal gebaseerde FET apparaat. Voor en na (a) naar beneden buigen en (b) naar boven buigen van de eerste keer en de vierde tijd om een kromming R = 14,0 mm. Klik hier om bekijk een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7. Een overlay van de overdracht kenmerken van the TCDAP monokristallijn gebaseerde FET inrichting. Bent staat voor (a) naar beneden buigen, en (b) uitbuigen in verschillende buigradius (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm en R = 5,8 mm) . klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8. Gemeten mobiliteit als functie van de buigradius van de TCDAP monokristallijne-apparaat. (A) omlaag buigen. (B) naar boven buigen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dit experiment werd een aantal parameters beïnvloeden de succesvolle meting van de mobiliteit veld-effect. Ten eerste moet de éénkristallijne groot genoeg om te worden gefabriceerd tot een veld-effect apparaat voor meten van de eigenschappen zijn. Werkwijze fysische damp overdracht (PVT) is degene die kunnen grotere kristallen worden gekweekt. Door de temperatuur en de stroomsnelheid van het dragergas, kristallen van grootte tot een halve centimeter kan worden verkregen. Ten tweede, de keuze van een monokristal van belang. Een schijnbare single crystal kan bundels van kristallen bevatten, en buigen kunnen veinzen van de bundels veroorzaken. Aldus wordt een dunner kristal voorkeur. Ten derde, dubbelzijdige tape moet het kristal in voortdurend contact met het substraatoppervlak te houden, zoals uitgebreide experimenten toonden aan dat zonder dergelijke tape, de contacten tussen het kristal en de diëlektrische laag en / of elektrode kan verschuiven op verschillende buigbewerkingen, zodat dat de weerstand contact verhoogt eennd onstabiele of reproduceerbare huidige metingen worden verkregen. Een ander probleem is het bereiken van de samendrukkende toestand, wanneer de einden van kristallen omhoog gebogen. Bij het verpakken van de flexibel substraat om een cilinder met de juiste diameter, het kristal / source / drain / gate zijn bereikbaar via de sondes te zijn. Dit gebeurt door het wikkelen van de rand van het flexibele PET substraat rond het einde van de cilinder, zodat de source / drain / gate blootgesteld en toegankelijk voor de probes terwijl de gebogen substraat.
Qua gegevensanalyse, wordt erkend dat het buigen van het flexibele substraat een verandering in de dikte van de diëlektrische laag en de capaciteit kan leiden. Hoewel dit niet mogelijke verandering in de berekening van de mobiliteit wordt beschouwd, wordt opgemerkt dat deze verandering onafhankelijk van de richting van de buiging moet zijn. Wel dient de tegengestelde trend veranderingen mobiliteit met de mogelijkheid van mobiliteit weg die door tHij capaciteitsverandering. De kwaliteit van een monokristal zal veel invloed op de gemeten mobiliteit. Voor de in figuur 8 data, een groot verschil in mobiliteit waargenomen voor de twee kristallen, waarschijnlijk door de kwaliteit van het gekozen kristallen. Toch is de ontwikkeling van de mobiliteit verandering bij buigen, dat van groot belang in dit werk, vormen de basis voor de conclusies afgeleid van de experimenten.
In tegenstelling tot de huidige technologie 11, waarbij een kristallen eerst gebogen en op een vlakke ondergrond geplaatst voor het meten, onze werkwijze maakt de meting van stroom in de trek- staat als de samendrukkende toestand. In de eerdere techniek alleen de stroom door de kortste weg, dat wil zeggen, de samendrukkende toestand kan worden gemeten. Deze werkwijze waardoor meerdere elektrische eigenschappen direct te meten op flexibele substraten.
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).
