Recozimento In-Situ Aumenta a Mobilidade de OFETs de TIPS-Pentaceno Depositados por Spray Coating

Resumo

Fabricamos transistores de efeito de campo orgânicos (OFETs) de gate inferior e contato superior usando uma abordagem de spray coating e investigamos o impacto do recozimento in-situ durante a deposição. Comparado ao recozimento pós-deposição convencional, um recozimento in-situ a 60 °C aumentou a mobilidade de efeito de campo de 0,056 para 0,191 cm²/V·s — uma melhoria de quase quatro vezes. Microscopia óptica, microscopia de força atômica (AFM) e difração de raios X (XRD) revelaram que o aumento da mobilidade origina-se de cristalização superior e empacotamento altamente ordenado do TIPS-pentaceno.

Introdução

OFETs são promissores para eletrônica flexível, displays, etiquetas RFID e circuitos lógicos. Vários métodos de deposição — blade coating, impressão a jato de tinta, impressão gravura e spray coating — têm sido explorados para criar dispositivos de alto desempenho. O spray coating é particularmente atrativo devido ao seu baixo requisito de solvente, alta produtividade e compatibilidade com diversos substratos.

Estudos recentes examinaram tamanho de gota, composição do solvente e aquecimento do substrato para melhorar a cristalinidade do filme. No entanto, o papel do recozimento in-situ durante o spray coating permanece pouco explorado. O processamento em solução convencional frequentemente necessita de longas etapas de cozimento que interrompem a produção. A introdução de um simples protocolo de recozimento in-situ poderia, portanto, acelerar a fabricação enquanto preserva ou melhora o desempenho do dispositivo.

Neste trabalho, aplicamos recozimento in-situ a 60, 90 e 120 °C durante a deposição por spray de TIPS-pentaceno em dielétricos de PMMA. O tratamento a 60 °C produziu a maior mobilidade (0,191 cm²/V·s), atribuível a melhor cristalinidade e ordenação molecular, conforme confirmado por microscopia e XRD.

Métodos

A arquitetura do dispositivo é ilustrada na Fig. 1(a). PMMA (100 mg/mL em anisole) foi depositado por spin coating até espessura de 520 nm e assado a 150 °C por 1 h. Uma camada de 30 nm de TIPS-pentaceno (3 mg/mL em diclorobenzeno) foi depositada por spray coating a 20 μL/s a partir de altura de bico de 12 cm, enquanto o substrato era mantido na temperatura desejada. Finalmente, eletrodos de fonte/dreno de Au de 50 nm foram evaporados termicamente através de máscara sombra (largura/comprimento do canal = 1 cm / 100 μm). A espessura do TIPS-pentaceno foi determinada subtraindo a espessura do PMMA da pilha total medida com profilômetro de passo. Características elétricas foram registradas com Keithley 4200 em ar. A mobilidade foi extraída do regime de saturação usando a equação padrão da curva de transferência. Morfologia foi examinada por microscopia óptica (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research) e XRD (TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA).

Resultados e Discussão

O dispositivo A foi fabricado com recozimento pós-deposição a 120 °C (20 min). Dispositivos B, C e D empregaram recozimento in-situ a 60, 90 e 120 °C, respectivamente. Curvas de transferência e saída (Fig. 2) demonstram comportamento típico tipo-p. A Tabela 1 resume as principais métricas de desempenho.

Com recozimento in-situ a 60 °C (Dispositivo B), a mobilidade subiu para 0,191 cm²/V·s, e a tensão de limiar deslocou-se positivamente de –1,7 para –0,9 V. Em contraste, tratamentos a 90 °C e 120 °C degradaram o desempenho: μ caiu para 0,04 e 0,0005 cm²/V·s, e VTH deslocou-se para +2,0 V. O swing sub-limiar aumentou com a temperatura de recozimento, indicando maiores densidades de armadilhas na interface dielétrico/semicondutor.

Microscopia óptica (Fig. 3) revelou grãos grandes e alongados para o Dispositivo B, enquanto Dispositivos C e D exibiram grãos menores e circulares. Imagens de AFM (Fig. 4) confirmaram que o filme a 60 °C possuía grãos bem ordenados com fronteiras esparsas, enquanto temperaturas mais altas produziram ilhas pequenas e densamente empacotadas que impedem o transporte de carga. XRD (Fig. 5) mostrou os picos de Bragg (00l) mais fortes para o Dispositivo B, confirmando cristalinidade superior. A intensidade de pico reduzida a 90 °C e 120 °C correlaciona-se com o declínio de desempenho observado.

Conclusões

OFETs de TIPS-pentaceno depositados por spray coating com recozimento in-situ a 60 °C exibem aumento quadruplo na mobilidade (0,191 cm²/V·s) comparado ao recozimento pós-deposição convencional. Essa melhoria decorre de cristalização aprimorada e crescimento ordenado de grãos, conforme evidenciado por análises ópticas, AFM e XRD. O recozimento in-situ oferece, portanto, uma rota escalável e de baixo custo para OFETs de alto desempenho adequados para eletrônica flexível e outras aplicações emergentes.