Effect van Buigen op de elektrische eigenschappen van flexibele organische Single Crystal-gebaseerde field-effect transistors
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.
Protocol
Representative Results
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 va…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Ministry of Science and Technology, Taiwan, Republic of China through Grant No. 101-2113-M-001-006-MY3.
Materials
| 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 1100°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).
