Effekt av Bock på de elektriska egenskaperna hos Flexibel Organic Single Crystal-baserade fälteffekttransistorer
Summary
Detta manuskript beskriver böjningsprocessen av en organisk enkristall-baserad fälteffekttransistor för att upprätthålla en fungerande anordning för elektronisk mätning egendom. Resultaten tyder på att böjnings orsakar förändringar i den molekylära avståndet i kristallen och därmed i laddningen hoppande ränta, vilket är viktigt i flexibel elektronik.
Abstract
Den laddningstransport i en organisk halvledare beror i hög grad på den molekylära packningen i kristallen, vilket påverkar den elektroniska kopplingen oerhört. Men i mjuka elektronik, i vilka organiska halvledare spelar en avgörande roll, anordningarna kommer att böjas eller vikas upprepade gånger. Effekten av böjning på kristallpacknings och sålunda laddningstransport är avgörande för prestandan hos anordningen. I detta manuskript, beskriver vi protokoll för att böja en enda kristall av 5,7,12,16-tetraklor-6,13-diazapentacene (TCDAP) i transistor konfiguration fälteffekt och att få reproducerbara IV egenskaper vid böjning kristallen. Resultaten visar att böja en fälteffekttransistor beredd på ett flexibelt substrat resulterar i nästan reversibla men motsatta trender som ansvarar rörlighet, beroende på böjningsriktningen. Mobilitets ökar när anordningen böjs uppåt grinden / dielektriska skiktet (uppåt, tryck tillstånd) och minskar när varant mot kristallen / substratsidan (nedåt, drag tillstånd). Effekten av bock krökning observerades också, med större rörlighet förändring till följd av högre böjning krökning. Det föreslås att de intermolekylära π-π avståndsförändringar vid böjning och därmed påverka den elektroniska kopplingen och den efterföljande transportören transportförmåga.
Introduction
Mjuka elektroniska apparater, såsom sensorer, displayer och bärbara elektronik, för närvarande utformade och forskat mer aktivt, och många har även lanserats på marknaden under de senaste åren 1,2,3,4. Organiska halvledande material spelar en viktig roll i dessa elektroniska enheter på grund av deras inneboende fördelar, bland annat låg kostnad utveckling, förmågan att framställas i lösning eller vid låga temperaturer, och i synnerhet deras flexibilitet i jämförelse med oorganiska halvledare 5,6. En särskild hänsyn till dessa elektronik är att de kommer att utsättas för frekvent böjning. Böjning introducerar töjning i komponenterna och materialen inom anordningen. En stabil och jämn prestanda krävs eftersom sådana enheter är böjda. Transistorer är en viktig del i de flesta av dessa elektronik och deras prestanda under böjning är av intresse. Ett antal studier har tagit upp denna prestandaproblem genom att böja organisk thin filmstransistorer 7,8. Medan förändringar i ledningsförmåga vid böjning kan tillskrivas förändringar i avståndet mellan kornen i en polykristallin tunn film, är en mer grundläggande fråga att ställa om ledningsförmågan kan förändras inom en enda kristall vid böjning. Det är väl accepterat att laddningstransport mellan organiska molekyler är starkt beroende elektronisk koppling mellan molekyler och omorganisationen energi som deltar i omvandling mellan de neutrala och laddade tillstånd 9. Elektronisk koppling är mycket känslig för avståndet mellan angränsande molekyler och överlappningen av gräns molekylorbitaler. Böjningen av en välordnad kristall introducerar stam och kan ändra den relativa positionen av molekyler inuti kristallen. Detta kan testas med en enda kristall-baserad fälteffekttransistor. En rapport som används enkristaller av rubren på ett flexibelt substrat för att studera effekten av kristalltjockleken vid böjning 10. delaster med kopparftalocyanin nanowire kristaller framställda på ett plant underlag visade sig ha en högre rörlighet vid böjning 11. Emellertid har egenskaperna för en FET-anordning böjt i olika riktningar inte utforskats.
Molekylen 5,7,12,16-tetraklor-6,13-diazapentacene (TCDAP) är en n-typ halvledarmaterial 12. Kristallen av TCDAP har en monoklin förpacknings motiv med skiftat π-π stapling mellan angränsande molekyler längs en axel enhetscellen i en cell längd 3,911 Å. Kristallen växer längs denna förpackning riktning för att ge långa nålar. Den maximala n-typ fälteffekt rörlighet mätt längs denna riktning nådde 3,39 cm 2 / V-s. Till skillnad från många organiska kristaller som är spröda och bräckliga, är TCDAP kristall befunnits vara mycket flexibla. I detta arbete har vi använt TCDAP som den ledande kanalen och förberett enda kristall fälteffekttransistor på ett flexibelt substrat of polyetentereftalat (PET). Rörlighet mättes för kristallen på ett plant underlag, med enheten böjd mot det flexibla substratet (nedåt) eller böjd mot grinden / dielektriska sida (uppåt). IV analyserades baserat på förändringar i stapling / kopplingsavstånd mellan angränsande molekyler.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta experiment, ett antal parametrar påverkar framgångsrik mätning av fälteffekt rörlighet. För det första bör enkristall vara tillräckligt stor för att sättas ihop i en fälteffektanordning för egenskapsmätning. Den fysiska ånga överföring (PVT) metoden är den som gör att större kristaller som odlas. Genom att justera temperaturen och flödeshastigheten hos bärargasen, kristaller av storlekar upp till en halv centimeter kan erhållas. För det andra är det viktigt att välja en enda kristall. E…
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).
