Effect van in situ gloeibehandeling op de mobiliteit en morfologie van op TIPS pentaceen gebaseerde organische veldeffecttransistoren

Resultaten en discussie

De OFET's op basis van een nagloeibehandeling van 120 ° C gedurende 20 minuten werden vervaardigd als apparaat A, en die op basis van een in situ uitgloeibehandeling met de temperaturen van 60, 90 en 120 ° C werden vervaardigd als apparaten B, C en D , respectievelijk. De typische overdrachtskarakteristiek, getest bij een bron-afvoerspanning (V _DS ) van −40 V en de poortspanning (V _GS ) van 20 tot -40 V, werd getest en weergegeven in Fig. 2a. De uitgangskarakteristieken zijn getest onder een V _DS van −40 V en een V _GS van 0 tot −40 V in een stap van −10 V, zoals weergegeven in Fig. 2b-e. Verschillende fundamentele parameters, waaronder verzadigingsstroom (I _aan ), veldeffectmobiliteit (μ ), drempelspanning (V _T ), subthreshold swing (SS) en aan/uit-verhouding (I _aan /Ik _uit ), die kunnen worden gebruikt om de prestaties van OFET te evalueren, zijn samengevat in Tabel 1.

een Overdrachtscurven van apparaten A–D. b –e Uitgangscurven van respectievelijk apparaten A, B, C en D

Niet onverwacht vertoonden alle apparaten typische p-type transistorkarakteristieken. Het kan duidelijk worden gevonden dat de in situ gloeibehandeling een enorme invloed heeft op de elektronische eigenschappen van OFET's. Vooral met de 60 ° C in situ gloeibehandeling werden de elektrische prestaties van OFET met succes verbeterd, inclusief een positieve verschuiving van V _TH (van −1.7 tot −0.9 V), en een toenemende μ (van 0,056 tot 0,191 cm ² /V's); de mobiliteit van apparaat B is bijna vier keer hoger dan die van het nagegloeide apparaat A. Bij toepassing van een in situ uitgloeibehandeling van 90 °C treedt echter een uitgebreide verslechtering van de prestaties van het apparaat op samen met de toenemende substraattemperatuur, inclusief een voorwaartse drift van V _TH van −0,9 tot 2,0 V, en een afnemende μ varieerde van 0,191 tot 0,04 cm ² /Vs. Bovendien, toen de in situ gloeitemperatuur steeg tot 120 °C, werd het nog erger, en een duidelijke afname van I _aan van 12,1 tot 0,17 A en μ van 0,04 tot 0,0005 cm ² /Vs is verkregen. Als gevolg hiervan waren de prestaties van apparaten C en D veel slechter dan die van het nagegloeide apparaat A.

De representatieve overdrachts- en uitvoergrafieken van de OFET's die zijn voorbereid door middel van een sproeicoatingmethode met verschillende gloeibehandelingen zijn afgebeeld in Fig. 2. Het is duidelijk te zien dat apparaat B de hoogste elektrische prestaties vertoont, inclusief drempelspanningen van bijna nul en een smalle subdrempelzwaai . Met de toename van de substraattemperatuur in de in situ uitgloeibehandeling werd echter een verzwakking van de elektrische prestaties onthuld. De subthreshold-schommeling vertoonde een duidelijke trend van toename samen met de in-situ-gloeitemperatuur, wat een relatief hoge valdichtheid impliceert op het grensvlak tussen de diëlektrische en halfgeleiderlaag [27].

Om de oppervlaktemorfologie van TIPS-pentaceenfilms nauwkeurig te onderzoeken, werd een optische microscoop gebruikt. Zoals afgebeeld in Fig. 3, werden de diverse vormen en morfologieën van TIPS-pentaceenfilms verkregen, en verschillende kristalkorrelgroottes kunnen duidelijk worden gezien vanuit de optische microscoop. Grote kristalkorrels worden weergegeven in Fig. 3a, b, en de TIPS-pentaceenfilm met de 60 ° C in situ gloeibehandeling is veel uniformer, en slanke en vrij lange korrels blijken in de richting van het kanaal te groeien. Het duidt op een betere organisatie van TIPS-pentaceenmoleculen, wat resulteert in betere elektrische prestaties van het OFET-apparaat. Wanneer de sjabloontemperatuur echter stijgt tot 90 of 120 ° C, begint cirkelvormige morfologie met kleine korrels te verschijnen in apparaten C en D, zoals weergegeven in Fig. 3c, d. Volgens de vorige studie zou de wijziging van TIPS-pentaceenfilmmorfologieën leiden tot de variatie van de elektrische eigenschappen van OFET-apparaten [28,29,30].

Optische microscoopbeelden van gesproeide TIPS-pentaceenlaag. een Ondergrondtemperatuur van kamertemperatuur gevolgd door nagloeien bij 120 °C gedurende 20 min, b –d In situ gloeitemperatuur van respectievelijk 60, 90 en 120 °C

Verder werd AFM gebruikt om de morfologieën van gesproeicoate TIPS-pentaceenfilms te karakteriseren. Zoals afgebeeld in Fig. 4b, worden goed geordende TIPS-pentaceenkorrels gevormd op PMMA-diëlektricum, terwijl onregelmatige kristalkorrels met verschillende vormen worden getoond in Fig. 4a, wat goed overeenkomt met de optische microscoopbeelden in Fig. 3a en b. Interessant is dat wanneer de substraattemperatuur de 60 ° C overschreed, significante veranderingen in de morfologie van de TIPS-pentaceenfilm kunnen worden waargenomen. Figuur 4c, d tonen typische gespoten afgeronde morfologie met een grote dichtheid van kleine TIPS-pentaceenkorrels, en deze korrels vertonen microkristallijne morfologie die bestaat uit vele eilandclusters met verschillende groottes, zoals weergegeven in de inzetstukken. Bovendien wordt met een verder toenemende gloeitemperatuur tot 120 °C een veel kleinere korrelreeks gevormd, wat resulteert in een schaarse verdeling met overvloedige korrelgrenzen, wat een negatief effect heeft op het transport van de drager [16, 31, 32]. Dergelijke resultaten geven aan dat de uitgloeitemperatuur de filmvormende eigenschappen sterk kan beïnvloeden, wat leidt tot een significant verschil in filmmorfologieën.

AFM-hoogte en 3D-beelden van een gesprayde TIPS-pentaceenlaag. een Substraattemperatuur van RT (gevolgd door nagloeien bij 120 ° C 20 min). b –d In situ gloeitemperaturen van respectievelijk 60, 90 en 120 °C. Inzetstukken :AFM met hoge vergroting; de scangroottebalk van inserts is 1 μm

Zoals we kunnen zien, leiden de veranderingen in de substraattemperatuur tot verschillende morfologieën en korrelgroottes. En de grootste morfologie van apparaat B kan niet alleen worden toegeschreven aan de juiste gloeitemperatuur, maar ook aan de gunstige conditie voor moleculaire zelforganisatie. Wanneer de OFET's worden bereid bij een relatief lage substraattemperatuur, kan een zachte verdamping van het oplosmiddel worden gehandhaafd, wat leidt tot een verminderde verdampingssnelheid van het oplosmiddel, en de opeenvolgende druppeltjes houden de film nat. In feite heeft deze modulatie van de substraattemperatuur een directe invloed op de verdampingssnelheid van het oplosmiddel. Door een lagere gloeitemperatuur kunnen TIPS-pentaceenkristallen langzaam groeien met geordende moleculen [33], terwijl een hogere substraattemperatuur bijdraagt ​​aan een snelle stolling, zonder een relatief langzaam droogproces van oplosmiddel [34]. Zo werd een langere tijd verkregen voor moleculaire zelforganisatie tijdens het sprayproces, wat verantwoordelijk is voor een hogere mate van fasescheiding en een grotere domeingrootte [33, 35, 36]. Als gevolg hiervan worden slanke en langwerpige korrels gevormd, en de bruggen voor vervoer van de carrier in het kanaalgebied kunnen worden gebouwd door deze lange korrels die langer zijn dan 110,8 μm [37].

Om de oriëntatie en pakking van het molecuul in de gesproeide TIPS-pentaceenfilms verder te onderzoeken, werd XRD geïntroduceerd. Zoals getoond in Fig. 5, vertonen de individuele sporen een reeks smalle Bragg-pieken die kunnen worden toegewezen aan de reflecties (00l ) van TIPS-pentaceen [38], en de dichtheid geeft aan dat de substraattemperatuur de kristalliniteit van de TIPS-pentaceenmoleculen [39] dramatisch zal beïnvloeden. Vergeleken met apparaat A met nagloeibehandeling, heeft apparaat B de sterkste piekintensiteit, wat consistent is met de microfoto's van de TIPS-pentaceenfilms, wat aangeeft dat het TIPS-pentaceen afgezet met 60 ° C in situ uitgloeibehandeling de beste kristalliniteit oplevert van TIPS-pentaceen. Toen de substraattemperatuur steeg tot 90 en 120 °C, werd een inferieure volgorde van TIPS-pentaceen gevormd, die verantwoordelijk was voor de afname van de apparaatprestaties [40].

Genormaliseerde XRD-spectra van gesproeicoate TIPS-pentaceenfilms met zowel post-annealing als in situ annealing-behandeling