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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av TCDAP 12
- Syntetisera TCDAP genom att följa litteraturförfaranden 13.
- Rena TCDAP produkt av temperatur gradient sublime metoden med tre temperaturzoner inställda på 340, 270 och 250 ° C, respektive, under ett vakuumtryck av 10 -6 Torr 12,14.
2. Odla enkristaller av TCDAP använda en Physical Vapor Transfer (PVT) System 14
- Sätta TCDAP provet vid en ände av en båt (5 cm lång) och ladda båten i ett glas innerröret (15 cm lång med en diameter av 1,2 cm).
- Fyll slangen till en längre glasrör (83 cm lång och 2 cm i diameter) och tryck in den till cirka 17 cm från öppningen.
- Ladda det långa glasröret in i ett kopparrör (60 cm långa och 2,5 cm i diameter) horisontellt fäst på en kuggstång; se till att båten av TCDAP ligger i mitten av värme område som definieras av en värme band around kopparröret.
- Rensa PVT-systemet med heliumgas vid en flödeshastighet av 30 cm ^ / min, och sedan slå på transformatorn för att värma upp värmebandet till 310 ° C; hålls kvar vid denna temperatur under två dagar.
- Efter kylning av systemet till rumstemperatur, samla kristaller från det inre röret.
3. Anordning Fabrication
- Sätta en 200-im tjock, transparent, förskurna PET-substrat (2 cm x 1 cm) i en flaska och rengöra den genom sonikering i detergentlösning, avjoniserat vatten och aceton, i följd, under 30 min vardera. Torka substratet genom kväveflöde.
- Placera dubbelhäftande tejp på PET-substrat.
- Undersök kristallerna under ett stereomikroskop. Välj bra kvalitet, glänsande kristaller med en dimension av ~ 5 mm x ~ 0,03 mm för enheten tillverkning. Placera en nålliknande TCDAP kristall parallellt med längden av PET-substrat på den dubbelsidiga tejpen och fixera den säkert.
- Under en stereomikroskop, tillämpas water-baserade kolloidal grafit genom en mikroliter sprutnål i en linje (flera mm) som sträcker sig från de två ändarna av kristallen i egenskap av emittern och kollektorn. Vänta ca 30 min för kolloidal grafit för att torka och mäta avståndet mellan de två grafit fläckar under ett optiskt mikroskop för att fastställa den exakta kanallängden (hålla det på 0,6-1 mm).
- Använd kol ledande tejp för att fästa PET substrat på ett objektglas. Placera bilden nära slutet av den pyrolys rör av avsättningskammaren.
- Väg 0,5 g av föregångaren till den dielektriska isolatorn, [2,2] paracyklofan, och placera den nära inloppet av pyrolys röret.
- Pumpa ner systemet till ett vakuum av 10 -2 Torr. Förvärm pyrolyszonen nära mitten av röret upp till en förinställd temperatur på 700 ° C och hålls kvar vid denna temperatur.
- Värm upp [2,2] paracyklofan provet till 150 ° C. De ångor av prekursorn kommer att passera genom pyrolyszonenför att ge de monomerer, som kommer att kondensera nära slutet av den pyrolys röret för att polymerisera.
- Låt pyrolys / polymerisationsreaktionen att fortsätta under 2 h.
- Kyl ner systemet och ta ut prover från pyrolys röret.
- Bestämma tjockleken hos det avsatta dielektriska skiktet genom mätning av höjden steget av skiktet och substratet med användning av en profilometer enligt tillverkarens instruktioner.
- Applicera isopropanol-baserade kolloidal grafit genom en mikroliter sprutnål i en linje på baksidan av det dielektriska skiktet ovanför kristallen att tjäna som grindelektroden.
4. Mät produktens prestanda
- Använda skalpell för att skära ett hål genom det polymera dielektriska filmen ovanför källan / kollektorelektroden område för att exponera elektroderna undertill för anslutning.
- Med hjälp av ett stativ och klämmor, föra elektrodsonderna från Parameter Analyzer i kontakt medkäll / avlopp / styrelektroder. Registrera IV egenskaper vid olika grind potentialer enligt tillverkarens anvisningar.
Obs: Här är grindpotential in från -60 V till 60 V vid 15 V steg.
5. Bending Experiment
- För att mäta egenskaperna i drag tillstånd, linda baksidan av flexibla PET substratet runt cylindrar med olika radier (14,0 mm, 12,4 mm, 8,0 mm och 5,8 mm) och fixera PET substratet till cylindern på fyra sidor med vakuum tejp .
- Anslut proberna till käll / avlopp / styrelektroder och mäta IV egenskaper vid olika grindpotential som beskrivs i 4.2.
- Mäta i den komprimerande tillstånd, linda hälften av den främre sidan av PET-substratet runt änden av en cylinder, så att kristallen / source / drain / styrelektroder är vänd mot cylindern och ändå fortfarande exponerade. Fixera PET-substrat på cylindern med vakuumtejp (se Fig. 5
- Anslut proberna till käll / avlopp / styrelektroder och mäta IV egenskaper vid olika grindpotential som beskrivs i 4.2.
OBS: En tvärsnittsillustration av anordningen strukturen visas i fig. 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den enda kristall XRD analys visar att TCDAP är en utökad π-system med molekyler packning längs en axel. Fig. 2 visar avsökningsmönstret av pulver XRD för en TCDAP kristall. En serie av skarpa toppar observeras, vilket motsvarar endast till familjen av (0, k, ℓ) plan, genom att jämföra med pulver diffraktionsmönstret för kristallen. Detta skulle innebära att kristallstrukturen är orienterad såsom visas i fig. 3.
Innan bockning, gav platta n-typ TCDAP enda kristall transistor väl upplösta mättnads strömmar endast för positiva styrspänningar (V GS) när grinden spänningen varierade från -60 V till 60 V i 15 V steg. Detta tyder på n-typ beteende (fig. 4a). Fig. 4b visar både loggen (blå linje) och den linjära (svart linje) plottar av kollektorströmmen som en funktion mellan emitter och kollektor bIAS (V DS) vid en grind bias på 30 V.
Elektronrörlighet beräknades från IV-egenskaper i den linjära regimen enligt ekvationen,
eller i den mättade regimen enligt ekvationen,
där W är kanalens bredd, är L kanallängden, m är bärarrörligheten, Ci är kapacitansen per enhetsarea av den dielektriska isolatorn, och V TH är tröskelspänningen, respektive.
En genomsnittlig rörlighet 1,42 cm 2 / V-s ochen på / av-förhållande av 10 3 -10 4 uppnåddes.
För bockningsexperiment, böjning av ändarna nedåt bör inducera en sträcka av ledningskanal nära den kanal / dielektriska gränssnitt så att detta definieras som den "tensile" tillstånd (se Fig. 5a), medan böjning av ändarna uppåt kommer att inducera en kompression av den ledande kanal och är således definierad som den "kompressiv" tillstånd (se fig. 5b). IV egenskaper hos anordningen i dess plana tillstånd kontrollerades efter motsatta böjningsoperationer till den böjda tillstånd, med en radie R = 14,0 mm; off-ström praktiskt taget inte ändras (se fig. 6). Detta tjänade till att indikera att enheten strukturen kan återställas och att anordningen inte förstördes vid böjning i olika riktningar. Därefter tillsattes den IV mättes vid det böjda tillståndet för dragtillståndet. Såsom visas i fig. 7a </ Strong>, den nuvarande minskade med bockning, mer så med mer böjning (mindre radie). Den beräknade mobilitets plottades som en funktion av radien för böjning. Såsom visas i fig. 8a, det finns en tydlig trend av minskad rörlighet med ökad böjning. Således, en nedåtgående krök vid R = 14,0 mm orsakade en minskning av rörlighet med 6,25%. minskningar rörlighet med 12,5%, 25%, och 37,5% för böjradie på 12,4 mm, 8,0 mm och 5,8 mm, respektive, observerades. Däremot när anordningen böjs uppåt (tryck tillstånd) vid R = 14,0 mm, en liten förskjutning i linjär IV kurvan observeras med en ökad förskjutning som böjning ökade (Fig. 7b). Den beräknade rörlighet baserad på lutningen hos kurvorna ökade med 5,5%, 12,8%, 15,2% och 19,8% för böjda radier av 14,0 mm 12,4 mm, 8,0 mm och 5,8 mm, respektive (Fig. 8b).
I en böjd kristall, olika sidor uppleva olika ståg. På den konkava sidan, är molekylerna komprimeras, och på den konvexa sidan, molekylerna isär, i en utsträckning beroende på krökningen. Således, den uppåtgående och nedåtgående böjning av kristallresulterar i kompression och spridningen av molekylerna, respektive, vid grinden dielektriska gränssnittet, vilket ger en ökande och minskande elektronisk koppling, respektive.
Laddningsbärarna i en transistor är kända för att vara inom flera monoskikt av den dielektriska ytan och rörlighet påverkas främst av de omedelbara skikt intill det dielektriska skiktet. I det aktuella fallet, bör den ökade rörligheten i trycktillstånd och minskar rörligheten i drag tillstånd troligen bero på förändringen i inter mellanrum inom kristallen. Våra resultat vittnar vidare om vikten av elektronisk koppling som en funktion av inter avstånd. I en tunn film anordning med polykristallina korn, därKristallerna kan inte vara så stor som vi använde i dessa experiment, kan avståndet mellan kornen också påverkas genom böjning, och därmed generera liknande resultat.
Figur 1. Tvärsnitts illustration av det övre kontakt enkristall fälteffekttransistor framställd på ett flexibelt substrat. De source / drain / styrelektroder framställdes av kolloidal grafit, medan den dielektriska isolatorn framställdes från pyrolys av [2,2] paracyklofan föregångare. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Pulver X-röntgendiffraktionsmönster för den TCDAP single kristall som på PET-substrat. Topparna knöts till familjen (0, k, £) plan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Schematiska illustrationer av laddningstransportvägen. Den laddningstransport längs en axel, med (0,1,1) plan (röd plan) parallellt med underlaget (blå planet). Klicka här för att se en större version av denna siffra .
Figur 4. I DS -V DS egenskaper. (a) Utgångs egenskaper med grindspänningen varierade från -60 V till 60 V i 15 V steg och (b) egenskaper överförings, som visar både log (blå linje) och linjär (svart linje) tomter av dränera ström som en funktion av käll drain partiskhet (V DS) vid en grind förspänning på 30 V för en TCDAP enda kristall fälteffekttransistor (SCFET) på en PET-substrat före böjning. klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5. schematiska illustrationer av de böjande experiment. (A) Den uppåtgående böjningen tillstånd, med kanten av substratet lindas runt en cylinder medan den ingående delen är utsatt, och (b) den nedåtgående böjnings state, med substratet lindad runt en cylinder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Jämförelse av överföringsegenskaperna hos TCDAP enda kristallbaserade FET-anordning. Före och efter (a) nedböjning och (b) uppåt böja första gången och fjärde gången till en krökning R = 14,0 mm. Klicka här för att en större version av denna siffra.
Figur 7. En överlagring av överföringsegenskaperna hos the TCDAP enkristall-baserade FET-anordning. Bent tillstånd för (a) nedböjning, och (b) uppåt böjning i olika böjningsradier (R = 14,0 mm, R = 12,4 mm, R = 8,0 mm och R = 5,8 mm) . klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Uppmätt rörlighet som en funktion av böjningsradien för TCDAP enkristall-baserad enhet. (A) nedböjning. (B) Uppåt böjning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. En skenbar enkristall kan innehålla buntar av kristaller, och bockning kan orsaka dissembling av buntarna. Således är en tunnare kristall föredra. För det tredje, fördubblades tejp är nödvändigt för att hålla kristallen i ständig kontakt med substratytan, som omfattande experiment visade att utan sådana band, kan kontakterna mellan kristallen och det dielektriska skiktet och / eller elektrod flytta på flera bockning, så att kontaktmotståndet ökar ennd instabila eller reproducerbara strömmätningar erhålls. En annan fråga är att uppnå tryck tillstånd när ändarna av kristallen är böjda uppåt. När linda flexibla substrat runt en cylinder med rätt diameter, kristallen / source / drain / gate måste vara tillgängliga för sonderna. Detta görs genom att linda kanten av det flexibla PET substratet runt änden av cylindern, så att källan / drain / gateområdet är utsatta för och tillgängliga för sonderna samtidigt som den krökta substratet.
I termer av dataanalys, erkänns det att böjning av det flexibla substratet kan orsaka en förändring i tjockleken hos det dielektriska skiktet och i kapacitansen. Även om detta är möjligt förändring inte beaktas vid beräkningen av rörlighet, kan det noteras att denna förändring bör vara oberoende av riktningen för böjning. Dock bör det motsatta trenden förändringar rörlighet eliminera risken för förändringar rörlighet är på grund av than kapacitans förändring. Kvaliteten på en enda kristall kommer att ha stort inflytande på den uppmätta rörlighet. För de data som visas i Figur 8, var en stor skillnad i mobilitet observerades för de två kristallerna, förmodligen beroende på kvaliteten på kristallerna valt. Ändå trender mobilitetsförändring vid böjning, som är av stor betydelse i detta arbete ligger till grund för de slutsatser som härrör från försöken.
I motsats till dagens teknik 11, där en kristall är först böjd och placerades därefter på ett plant substrat för mätning, låter vår metod mätning av strömmen i dragtillståndet samt den kompressiva tillstånd. I den tidigare tekniken, endast den ström som passerar genom den kortaste vägen, det vill säga den kompressiva tillstånd, kan mätas. Denna metod tillåter en mängd olika elektriska egenskaper som skall mätas direkt på flexibla substrat.
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).
