Efeito do tratamento de recozimento in situ na mobilidade e morfologia de transistores de efeito de campo orgânico baseados em TIPS-Pentaceno

Resumo

Neste trabalho, transistores de efeito de campo orgânico (OFETs) com uma estrutura de contato superior de gate inferior foram fabricados usando um método de spray-coating, e a influência do tratamento de recozimento in situ no desempenho do OFET foi investigada. Em comparação com o método convencional de pós-recozimento, a mobilidade de efeito de campo de OFET com tratamento de recozimento in situ a 60 ° C foi aumentada quase quatro vezes de 0,056 para 0,191 cm ² / Vs. As morfologias de superfície e a cristalização dos filmes de TIPS-pentaceno foram caracterizadas por microscópio óptico, microscópio de força atômica e difração de raios-X. Descobrimos que o aumento da mobilidade foi atribuído principalmente à cristalização aprimorada e às moléculas de pentaceno TIPS altamente ordenadas.

Histórico

Os transistores de efeito de campo orgânico (OFETs) têm atraído considerável atenção como um candidato promissor para suas aplicações práticas em papéis eletrônicos flexíveis, monitores de tela plana, etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) e circo lógico [1,2,3,4, 5,6,7]. Até agora, várias estratégias, como revestimento de lâmina [6, 8, 9], impressão a jato de tinta [10, 11], impressão de rotogravura [12, 13] e as tecnologias de pulverização recentemente surgidas [14,15,16] provaram ser métodos eficientes para a fabricação de dispositivos eletrônicos. Entre esses métodos, o revestimento por spray tem sido investigado intensamente devido à sua vantagem única na fabricação. Por meio do método de spray-coating, diversos materiais com baixa solubilidade em solventes menos tóxicos podem ser aplicados devido à exigência de baixa concentração da solução [17]. Além disso, o revestimento por spray possibilita maior velocidade de produção e melhor compatibilidade com vários substratos [18], e os diferentes formatos de filme podem ser padronizados por meio de máscaras de sombra [19]. Além disso, em comparação com outros métodos, como fundição por rotação, revestimento de lâmina e impressão de rotogravura, o processo de revestimento por spray pode realizar um filme contínuo sem danificar a camada inferior do dispositivo:basta controlar o conteúdo de solvente, tamanho de gota e solidificação dinâmica.

Nos trabalhos anteriores, alguns novos métodos de fabricação foram aplicados para obter OFETs de alto desempenho por meio de revestimento por pulverização. Khim et al. investigaram os efeitos do tamanho das gotas no desempenho de OFETs fabricados usando camadas ativas semicondutoras orgânicas impressas em spray [16]. Park et al. fez um estudo intensivo do teor de solvente usando um método de pós-tratamento auxiliado por solvente [20]. Enquanto isso, o aquecimento do substrato é demonstrado ser um método eficaz para aumentar a cristalinidade de filmes semicondutores [21, 22]. Para isso, vários trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos. Sarcletti et al. pesquisaram a influência mútua da energia superficial e da temperatura do substrato na mobilidade em semicondutores orgânicos [23]. Além disso, Padma et al. investigou a influência da temperatura do substrato nos modos de crescimento de filmes finos de ftalocianina de cobre na interface dielétrico / semicondutor [24]. Posteriormente, Mikayelyan et al. estudou o efeito da temperatura do substrato na estrutura e morfologia dos filmes evaporados a vácuo [25]. E o efeito do recozimento térmico no desenvolvimento de trincas também foi investigado [26]. Embora um grande número de estudos tenham se concentrado em melhorar as propriedades elétricas intrínsecas das técnicas de fabricação de dispositivos, a influência do tratamento de recozimento in situ no campo de pesquisa de OFETs revestidos por pulverização não tem recebido muita atenção. Enquanto isso, o processo de solução convencional de OFETs geralmente exige interrupções de produção e tratamento de cozimento, bem como o processo é demorado. Portanto, o desenvolvimento de uma nova técnica de processamento de recozimento é, portanto, um passo fundamental para a utilização de todo o potencial do processo de pulverização.

Neste estudo, introduzimos um tratamento simples de recozimento in situ na fabricação de OFETs de alto desempenho, e várias temperaturas de substrato foram aplicadas no tratamento de recozimento in situ. Com o tratamento de recozimento in situ a 60 ° C, a mobilidade do dispositivo OFET aumentou significativamente de 0,056 para 0,191 cm ² / Vs, que foi atribuído principalmente à cristalização aprimorada e ordenou as moléculas de 6,13-bis (triisopropil-sililetinil) pentaceno (TIPS-pentaceno). Para elucidar o mecanismo desse aumento de desempenho, microscópio óptico, microscópio de força atômica (AFM) e difração de raios-X (XRD) foram usados para analisar a morfologia e cristalização dos filmes de pentaceno TIPS. Nosso trabalho demonstra que, com o tratamento simples de recozimento in situ, OFETs de alto desempenho com um processo de fabricação eficiente podem ser realizados controlando cuidadosamente as condições do método de recozimento in situ.

Métodos

O aparelho de fabricação de dispositivos é mostrado na Fig. 1 (a). As estruturas químicas de poli (metacrilato de metila) (PMMA) e 6,13-bis (triisopropil-sililetinil) pentaceno (TIPS-pentaceno) são mostradas na Fig. 1 (b) e (c), respectivamente. A configuração da porta inferior de contato superior de OFETs com dielétrico PMMA é ilustrada na Fig. 1 (d). Os vidros revestidos com óxido de índio e estanho (ITO) foram usados como substratos e eletrodos de porta. Os OFETs foram fabricados de acordo com o procedimento a seguir. Primeiramente, os óculos ITO colocados em um suporte de politetrafluoroetileno (PTFE) foram limpos por ultrassom em detergente, acetona, água deionizada e álcool isopropílico por 15 min cada. O PMMA foi dissolvido em anisol com concentração de 100 mg / mL. Em seguida, um filme de PMMA de 520 nm, funcionando como o dielétrico de porta, foi revestido por rotação sobre os substratos e cozido a 150 ° C por 1 h ao ar para remover o resíduo de solvente. Em terceiro lugar, a camada ativa de TIPS-pentaceno de 30 nm foi depositada em substratos colocados em uma placa quente por meio de um processo de revestimento por pulverização com tratamento de recozimento in situ e a concentração da solução de TIPS-pentaceno foi de 3 mg / mL em diclorobenzeno. Durante nossos experimentos, a velocidade de revestimento por spray foi de 20 μL / se a altura (do aerógrafo ao substrato) foi de 12 cm, e todos os experimentos foram feitos em temperatura ambiente (20 ° C). Finalmente, um ouro de 50 nm de espessura (Au) foi depositado termicamente como fonte e eletrodos de drenagem no filme TIPS-pentaceno por uma máscara de sombra. A espessura do filme TIPS-pentaceno foi caracterizada por um perfilador escalonado. A camada de PMMA puro e a camada de PMMA / TIPS-pentaceno foram medidas separadamente, e a espessura do filme de TIPS-pentaceno pode ser calculada por subtração. As relações largura / comprimento do canal do dispositivo são 100 ( L =100 μm, W =1 cm). As características elétricas de todos os dispositivos foram medidas com um medidor-fonte Keithley 4200 (Cleveland, OH, EUA) em atmosfera de ar. A mobilidade de efeito de campo ( μ ) foi extraído no regime de saturação do declive mais alto de | I _DS | ^1/2 vs. V _GS plotagens usando a seguinte equação:
$$ {I} _ {\ mathrm {DS}} =\ left (W / 2L \ right) \ mu {C} _ {\ mathrm {i}} \ left ({V} _ {\ mathrm {GS}} - {V} _ {\ mathrm {TH}} \ right) $$

onde eu _DS é a corrente da fonte de drenagem, e L (100 μm) e W (1 cm) são o comprimento e a largura do canal, respectivamente. C _i é a capacitância por unidade da camada dielétrica, e V _GS e V _TH são a tensão da porta e a tensão limite, respectivamente. As morfologias da superfície do TIPS-pentaceno foram caracterizadas com microscópio óptico (U-MSSP4, OLYMPUS) e microscópio de força atômica (AFM) (MFP-3D-BIO, Asylum Research) em modo de batida, e a caracterização da estrutura foi feita por Difração de pó de raios-X (XRD, TD-3500, Dandong, China) com uma tensão de aceleração de 30 kV e uma corrente aplicada de 20 mA.

Resultados e discussão

Os OFETs com base no tratamento pós-recozimento de 120 ° C por 20 min foram fabricados como o dispositivo A, e aqueles baseados no tratamento de recozimento in situ com as temperaturas de 60, 90 e 120 ° C foram fabricados como dispositivos B, C e D , respectivamente. A característica de transferência típica, testada em uma tensão fonte-dreno ( V _DS ) de −40 V e a tensão da porta ( V _GS ) de 20 a −40 V, foi testado e apresentado na Fig. 2a. As características de saída foram testadas sob um V _DS de −40 V e um V _GS de 0 a −40 V em uma etapa de −10 V, conforme mostrado na Fig. 2b-e. Vários parâmetros fundamentais, incluindo a corrente de saturação ( I _em ), mobilidade de efeito de campo ( μ ), tensão de limiar ( V _T ), oscilação de sublimiar (SS) e relação liga / desliga ( I _em / eu _desligado ), que podem ser usados para avaliar o desempenho do OFET, estão resumidos na Tabela 1.

Como esperado, todos os dispositivos demonstraram características típicas de transistor do tipo p. Pode-se verificar claramente que o tratamento de recozimento in situ tem uma enorme influência nas propriedades eletrônicas dos OFETs. Especialmente, com o tratamento de recozimento in situ a 60 ° C, o desempenho elétrico do OFET foi aprimorado com sucesso, incluindo uma mudança positiva de V _TH (de -1,7 a -0,9 V), e um aumento μ (de 0,056 a 0,191 cm ² / Vs); a mobilidade do dispositivo B é quase quatro vezes maior do que a do dispositivo pós-recozido A. No entanto, ao aplicar o tratamento de recozimento in situ a 90 ° C, uma extensa degradação do desempenho do dispositivo aparece junto com o aumento da temperatura do substrato, incluindo um desvio para a frente de V _TH de −0,9 a 2,0 V, e uma diminuição μ variou de 0,191 a 0,04 cm ² / Vs. Além disso, quando a temperatura de recozimento in situ aumentou para 120 ° C, as coisas ficaram ainda piores, e uma diminuição óbvia de I _em de 12,1 a 0,17 μA e μ de 0,04 a 0,0005 cm ² / Vs foi obtido. Como resultado, o desempenho dos dispositivos C e D foi muito pior do que o dispositivo pós-recozido A.

Os gráficos representativos de transferência e saída dos OFETs preparados pelo método de revestimento por pulverização com tratamento de recozimento diferente são representados na Fig. 2. Pode ser visto claramente que o dispositivo B demonstra o mais alto desempenho elétrico, incluindo tensões de limiar próximas de zero e uma oscilação de sublimiar estreita . No entanto, com o aumento da temperatura do substrato no tratamento de recozimento in situ, uma atenuação do desempenho elétrico foi revelada. A oscilação sublimiar exibiu uma tendência óbvia de incremento junto com a temperatura de recozimento in situ, o que implica uma densidade de armadilha relativamente alta na interface entre o dielétrico e a camada semicondutora [27].

Para examinar a morfologia da superfície de filmes de pentaceno TIPS, um microscópio óptico foi empregado. Conforme representado na Fig. 3, as diversas formas e morfologias de filmes TIPS-pentaceno foram obtidas, e diferentes tamanhos de grãos de cristal podem ser obviamente vistos no microscópio óptico. Grandes grãos de cristal são apresentados na Fig. 3a, b, e o filme TIPS-pentaceno com o tratamento de recozimento in situ a 60 ° C é muito mais uniforme, e grãos delgados e longos crescem ao longo da direção do canal. Indica uma melhor organização das moléculas de TIPS-pentaceno, resultando no melhor desempenho elétrico do dispositivo OFET. No entanto, quando a temperatura do molde sobe para 90 ou 120 ° C, a morfologia circular com pequenos grãos começa a aparecer nos dispositivos C e D, como mostrado na Fig. 3c, d. De acordo com o estudo anterior, a alteração da morfologia do filme TIPS-pentaceno levaria à variação das propriedades elétricas dos dispositivos OFET [28,29,30].

Além disso, AFM foi empregado para caracterizar as morfologias de filmes TIPS-pentaceno revestidos por spray. Como representado na Fig. 4b, grãos de TIPS-pentaceno bem ordenados são formados no dielétrico PMMA, enquanto grãos de cristal irregulares com diferentes formas são mostrados na Fig. 4a, que corresponde bem com as imagens do microscópio óptico nas Fig. 3a e b. Curiosamente, quando a temperatura do substrato excedeu 60 ° C, mudanças significativas na morfologia do filme TIPS-pentaceno podem ser observadas. A Figura 4c, d mostra a morfologia arredondada pulverizada típica com uma grande densidade de pequenos grãos TIPS-pentaceno, e esses grãos exibem morfologia microcristalina composta por muitos aglomerados de ilhas com tamanhos diferentes, conforme mostrado nas inserções. Além disso, com o aumento da temperatura de recozimento para 120 ° C, uma matriz de grãos muito menor é formada, resultando em distribuição esparsa com limites de grãos abundantes para ter um efeito negativo no transporte do transportador [16, 31, 32]. Tais resultados indicam que a temperatura de recozimento pode afetar muito as propriedades de formação do filme, levando a uma diferença significativa na morfologia do filme.

Como podemos ver, as mudanças na temperatura do substrato levam a diferentes morfologias e tamanhos de grão. E a maior morfologia do dispositivo B pode ser atribuída não apenas à temperatura de recozimento adequada, mas também à condição favorável para a auto-organização molecular. Quando os OFETs são preparados a uma temperatura de substrato relativamente baixa, a evaporação suave do solvente pode ser mantida, levando a uma taxa de evaporação de solvente reduzida, e as gotículas consecutivas mantêm o filme úmido. Na verdade, essa modulação da temperatura do substrato influencia diretamente na taxa de evaporação do solvente. A temperatura de recozimento mais baixa permite que os cristais de pentaceno de TIPS cresçam lentamente com moléculas ordenadas [33], enquanto a temperatura mais alta do substrato contribui para a solidificação rápida, sem um processo de secagem relativamente lento do solvente [34]. Assim, um maior tempo de auto-organização molecular foi obtido durante o processo de spray, o que é responsável por um maior grau de separação de fases e um maior tamanho de domínio [33, 35, 36]. Como conseqüência, grãos delgados e longos são formados, e as pontes para o transporte de portadores na região do canal podem ser construídas através desses grãos longos, que são mais longos do que 110,8 μm [37].

Para investigar mais a orientação da molécula e empacotamento nos filmes TIPS-pentaceno revestidos por spray, o XRD foi introduzido. Como mostrado na Fig. 5, os traços individuais exibem uma série de picos de Bragg estreitos atribuíveis às reflexões (00 l ) de TIPS-pentaceno [38], e a densidade indica que a temperatura do substrato afetará dramaticamente a cristalinidade das moléculas de TIPS-pentaceno [39]. Em comparação com o dispositivo A com tratamento pós-recozimento, o dispositivo B tem a intensidade de pico mais forte, o que é consistente com as micrografias dos filmes de pentaceno TIPS, indicando que o TIPS-pentaceno depositado com tratamento de recozimento in situ 60 ° C produz a melhor cristalinidade de TIPS-pentaceno. Quando a temperatura do substrato aumenta para 90 e 120 ° C, forma-se uma ordem inferior de TIPS-pentaceno, responsável pelo declínio no desempenho do dispositivo [40].

Conclusões

Em resumo, fabricamos e testamos OFETs por spray coating TIPS-pentaceno com tratamento de recozimento in situ, e as morfologias de superfície e a cristalização do filme obtido foram investigadas. Os resultados mostram que o desempenho elétrico dos OFETs baseados em TIPS-pentaceno tem forte correlação com a condição de processamento da camada ativa. Com a temperatura do molde de 60 ° C, a mobilidade dos OFETs fabricados pelo método de recozimento in situ aumenta de 0,056 para 0,191 cm ² / Vs. O aumento de desempenho foi atribuído à maior cristalização e grãos ordenados. Espera-se que este tratamento de recozimento in situ do método de revestimento por pulverização seja uma maneira eficaz para a fabricação de OFETs de alto desempenho, bem como um alto potencial para fabricação de baixo custo e versatilidade de aplicação.

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