Effecten van omgevingsgassen op de elektrische prestaties van in oplossing verwerkte C8-BTBT dunne-filmtransistoren

Resultaten en discussie

De dwarsdoorsnedestructuur van het OTFT-apparaat wordt schematisch weergegeven in figuur 1a. Van onder naar boven bestaat het uit een sterk gedoteerd Si-substraat, 50 nm siliciumoxide, 45 nm C8-BTBT-film en Au(40 nm)/MoO₃ (5 nm) elektroden. Au/MoO₃ source/drain-elektroden werden gebruikt om de contactbarrière tussen de Au-elektroden en C8-BTBT te verminderen, wat kan helpen om de efficiëntie van de ladingsinjectie te verhogen en apparaten met hoge mobiliteit te produceren [10]. Figuur 1b toont de moleculaire structuren van C8-BTBT, MoO₃ en PMMA. Opgemerkt moet worden dat PMMA werd toegevoegd aan C8-BTBT om een ​​gemengde oplossing te maken in ons werk. Het mengen van een polymeer tot een organische halfgeleider met een klein molecuul is een veelgebruikte methode om de elektrische prestaties van een organische halfgeleider te verbeteren. Het helpt om een ​​gladde, continue halfgeleiderfilm te vormen. Bovendien induceren verschillen in massa verticale fasescheiding, wat naar verwachting het aantal oppervlaktevallen in de halfgeleider zal verminderen [19]. Een AFM-oppervlaktemorfologiebeeld van de C8-BTBT-dunne film wordt getoond in figuur 1c. Het duidt op grote korrelgrootte, goede continuïteit van het oppervlak en een gladde oppervlaktemorfologie (RMS-waarde 2,081 nm). Figuur 1d toont schematische diagrammen van de testprocedures die zijn gebruikt met monsters die waren blootgesteld aan HV, stikstof, zuurstof en lucht. Voor elk omgevingsgas werden 70 apparaten gemeten na 2  uur blootstelling.

(Online kleuren) (a ) Een schematisch diagram van de apparaatstructuur. (b ) De moleculaire structuren van de C8-BTBT, molybdeenoxide en PMMA die in het experiment werden gebruikt. (c ) AFM-oppervlaktemorfologiebeeld van de C8-BTBT-film die een kleine RMS-waarde van 2,08 nm aangeeft. (d ) Testprocedures die worden gebruikt om de elektrische prestatiekenmerken van 70 eenheden van elk apparaattype te meten (hoogvacuüm, stikstofatmosfeer, zuurstofatmosfeer en luchtatmosfeer)

Om te verduidelijken hoe de verschillende omgevingsgassen de elektrische prestaties van het apparaat beïnvloeden, werden de overdrachtskenmerken van deze vier apparaattypes vergeleken. Afbeelding 2a en 2b tonen de typische stroom-poortspanning van de afvoer (I _D -V _G ) curven van kort kanaal (L = 50 μm) en lang kanaal (L = 350 μm) apparaten, respectievelijk. Alle apparaten hebben dezelfde kanaalbreedte van 1200 m en zijn gemeten met dezelfde − 40 V afvoerspanning. Er worden geen significante hysteresislussen waargenomen, ongeacht de gasblootstelling of de kanaallengte. Een duidelijke afname van de off-state afvoerstroom (I _uit ) en verhoging van de aan-toestand afvoerstroom (I _aan ) worden in acht genomen voor het apparaat dat aan lucht is blootgesteld. De stroomverhouding van de aan/uit-afvoer is zo hoog als 10 ⁷ , terwijl die van HV-apparaten, O₂ apparaten, en N₂ apparaten zijn 10 ⁶ . Bovendien vertoont het luchtapparaat een draaggolfmobiliteit die bijna twee keer zo hoog is als die van de andere apparaten en een V _TH dat is 5 tot 8 V lager. De resultaten getoond in Fig. 2a en 2b tonen aan dat het apparaat dat gedurende 2  uur aan lucht wordt blootgesteld, betere elektrische eigenschappen vertoont dan apparaten die worden blootgesteld aan andere omgevingsgassen. Typische overdracht (V _D = − 40 V) en uitgangskarakteristieken van luchtapparaten met een kanaallengte van 350 μm worden respectievelijk getoond in Fig. 2c en 2d. Deze cijfers tonen de uitstekende elektrische prestatiekenmerken van de in de oplossing verwerkte C8-BTBT-transistoren. Een goed verzadigde I _D -V _G kromme, groot I _aan /Ik _uit van 10 ⁷ , en een hoge mobiliteit van de drager van 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 worden waargenomen. De kleine hysteresislus die wordt getoond in Fig. 2c geeft aan dat er een imperfecte interface aanwezig is tussen de C8-BTBT en SiO₂ . De niet-lineaire I _D -V _D curven bij lage afvoerspanning weergegeven in Fig. 2d geven aan dat de potentiaalbarrière bij de contactinterface nog steeds niet laag genoeg is voor ohmse geleiding, ondanks het gebruik van een MoO₃ laag om de grensvlakbarrière tussen de S/D-elektroden en de halfgeleider te verminderen. De elektrische prestaties van het luchtapparaat kunnen verder worden verbeterd door toekomstige interface-optimalisatie.

(kleur online) Typische overdrachtskarakteristieken van transistoren na blootstelling aan verschillende omgevingsomstandigheden:50 μm (a ) en 350 μm (b ) kanaallengtes. Typische overdrachtskenmerken (c ) en uitvoerkenmerken (d ) van apparaten met mobiliteiten van 8,07 cm ² (V s) ⁻¹ , ik _aan /Ik _uit verhoudingen van 10 ⁷ , en 350 m lange kanalen

Om betrouwbare en statistische gegevens te krijgen, hebben we in totaal 280 apparaten gemeten (70 apparaten voor elke omgevingsconditie). De experimentele resultaten van draaggolfmobiliteit en drempelspanning zijn samengevat en uitgezet als histogrammen in Fig. 3a en 3b. Daarnaast worden de gemiddelde draaggolfmobiliteit, hoogste draaggolfmobiliteit en gemiddelde drempelspanningen van apparaten die zijn blootgesteld aan verschillende omgevingsgassen weergegeven in tabel 1. De hoogste gemiddelde draaggolfmobiliteit (4,82 cm ² V ^-1 s ^-1 ) en de laagste drempelspanning (− 20,16 V) worden waargenomen bij apparaten die aan lucht zijn blootgesteld. Zo vertonen aan de lucht blootgestelde apparaten de beste elektrische prestaties van de geteste apparaattypen. Het HV-apparaat, N₂ apparaat, en O₂ apparaathistogrammen geven slechts kleine verschillen aan in gemiddelde draaggolfmobiliteit, hoogste draaggolfmobiliteit en drempelspanning. Het is bekend dat lucht bestaat uit stikstof (78%), zuurstof (21%), vocht, enz. De HV, N₂ , en O₂ apparaten vergelijkbare elektrische kenmerken vertonen, wat aangeeft dat blootstelling aan N₂ en O₂ produceert geen significante prestatieverschillen ten opzichte van een HV-apparaat. Men kan aannemen dat vocht een sleutelrol speelt bij het verbeteren van de elektrische prestaties van het luchtapparaat. Het relatieve vochtigheidsbereik tijdens deze experimenten was 40-59%. Bijgevolg is het waarschijnlijk dat H₂ O in de lucht beïnvloedt de prestaties van het apparaat.

(Online in kleur) Statistische histogrammen van de mobiliteiten van de drager (a ) en drempelspanningen (b ) waargenomen van apparaten die zijn blootgesteld aan verschillende testgassen. c Transmissielijnmodelplots met lineaire fittingen van R _totaal W en effecten van omgevingsomstandigheden op contactweerstanden (d ), gemiddelde mobiliteiten (e ), en gemiddelde drempelspanningen (f )

Om de op gasblootstelling gebaseerde variatie in de elektrische eigenschappen van deze C8-BTBT-gebaseerde transistors te begrijpen, hebben we I gemeten _D -V _G bochten van apparaten met kanaallengtes van 50 tot 350 m. Metaal/halfgeleider contactweerstanden (R _C ) werden onderzocht voor alle vier de apparaattypen. We hebben R . uitgevoerd _C extractie met behulp van de overdrachtslijnmethode, die is gebaseerd op de volgende lineaire regimevergelijking (1):[20].

Afbeelding 3c toont de totale weerstanden (R _totaal ) van apparaten die zijn blootgesteld aan verschillende omgevingsomstandigheden als functies van kanaallengte. De R _C waarden worden geëxtraheerd uit de y -onderscheppingen van de montagelijnen en uitgezet door blootstellingsgas. R _C waarden worden vergeleken in Fig. 3d op basis van de resultaten getoond in Fig. 3c. Slechts kleine verschillen tussen de HV, N₂ , en O₂ apparaten worden genoteerd. Het luchtapparaat vertoont echter een significante vermindering van R _C . De gemiddelde draaggolfmobiliteiten en gemiddelde drempelspanningen zijn samengevat in respectievelijk figuur 3e en 3f. De luchttoestellen vertonen veel hogere draaggolfmobiliteiten en lagere drempelspanningen dan hun tegenhangers. De R _C waarden, gemiddelde en hoogste draaggolfmobiliteit en drempelspanningen van de vier apparaattypen zijn samengevat in Tabel 1. Op basis van de resultaten getoond in Fig. 3d-f en Tabel 1 kunnen we concluderen dat de verbeterde elektrische eigenschappen vertoond door de luchtapparaten hangen nauw samen met de verminderde contactweerstand tussen de C8-BTBT-halfgeleider en source/drain-elektroden. Verder is de N₂ en O₂ elektrische eigenschappen van het apparaat wijken niet significant af van elkaar of van het HS-apparaat. Dit geeft aan dat de verminderde R _C waarden die leiden tot verhoogde draaggolfmobiliteit en verlaagde drempelspanningen worden veroorzaakt door H₂ O in de lucht, in plaats van N₂ of O₂ concentraties. De mechanismen van deze interactie zijn niet duidelijk, maar we nemen aan dat hydronium- en hydroxylanionen van H₂ O kan vallen en defecten in C8-BTBT-halfgeleiders passiveren. Onze huidige resultaten bieden meer inzicht in de rol van lucht bij het verminderen van contactweerstanden en het verbeteren van de algehele elektrische prestaties.

Om de mechanismen die verschillen in elektrische prestaties van apparaten veroorzaken, beter te begrijpen, hebben we Raman-spectra-metingen uitgevoerd van C8-BTBT-films die zijn blootgesteld aan verschillende omgevingsomstandigheden. Figuur 4a vergelijkt de Raman-spectra van C8-BTBT-films die zijn blootgesteld aan HV en lucht. Alleen de 1300 cm ⁻¹ –1600 cm ⁻¹ het spectrale bereik wordt getoond omdat deze pieken typisch geassocieerd zijn met C8-BTBT-moleculen en alle ladingsgevoelige banden in dit gebied liggen. Typisch oriënteren C8-BTBT-moleculen zich met de lange as (c -as) richting langs de SiO₂ /Si-substraat. Een visgraatarrangement van BTBT-kerndelen verschijnt in de richting in het vlak [14]. Thiofeenpieken bevinden zich op 1314 cm ⁻¹ en 1465 cm ⁻¹ , terwijl de C–H in-plane piek verschijnt op 1547 cm ⁻¹ [6, 21]. De Raman-spectra van C8-BTBT-monsters die zijn blootgesteld aan HV, O₂ , en N₂ geen noemenswaardige verschillen vertonen. Wanneer het monster gedurende een bepaalde periode aan lucht wordt blootgesteld, vertoont het Davydov-splitsing bij 1547 cm ⁻¹ vanwege interacties tussen het hydroxylanion van water en waterstof van C-H-groepen. [22] De C-H-binding van het stapelen van C8-BTBT-moleculen wordt meestal op het oppervlak gesuspendeerd [14]. Het kan dus gemakkelijk interageren met vocht in de lucht en de mobiliteit van de drager vergroten via verbeterde π-π- en van der Waals-interacties [5, 9]. Dit resultaat biedt verdere ondersteuning voor onze eerdere veronderstelling dat hydroxylanionen vallen in de C8-BTBT-films passiveren.

(Online kleuren) (a ) Raman-spectra (λ _exc = 633 nm) van C8-BTBT dunne films in HV- en luchtomstandigheden. De inzet toont een vergroting van het gebied tussen 1542 en 1554 cm ⁻¹ . (b ) Schematische diagrammen van werkfunctieveranderingen in MoO_x in HV- en luchtapparaten, wat resulteert in de vermindering van de barrièrehoogte die gepaard gaat met ladingsinjectie van de S/D-elektrode naar C8-BTBT

Zoals Irfan et al. meldde [23], de werkfunctie (W _F ) van de thermisch verdampte 5,5 nm MoO_x is 6,82 eV. Dit neemt echter af met 1,18 tot 5,64 eV na 1 h blootstelling aan lucht. De vermindering van W _F bij blootstelling aan lucht kan het gevolg zijn van vochtadsorptie op het filmoppervlak. Op basis van de resultaten van Irfan et al. hebben we een model voorgesteld dat het effect van blootstelling aan lucht op de contactweerstand en elektrische prestaties van C8-BTBT beschrijft (Fig. 4b) [9, 19, 23]. Aangenomen wordt dat het verminderen van de hoogte van de contactbarrière tussen het metaal en de halfgeleider de efficiëntie van de dragerinjectie zou verbeteren, de contactweerstand zou verminderen en de mobiliteit van de drager zou vergroten. Een ander mogelijk mechanisme van R _C reductie is passivering van vallen in de interface tussen C8-BTBT en de Au/MoO₃ elektrode. Volgens Wang et al. heeft de dichtheid van de metaal/halfgeleider interfacial trap een significante invloed op de interfaciale contactweerstand [24]. In het huidige werk passiveert hydronium uit water grensvlakvallen, waardoor een R ontstaat _C vermindering.

Ten slotte werd de luchtstabiliteit van de C8-BTBT OTFT's onderzocht. We hebben de elektrische eigenschappen gemeten van C8-BTBT-apparaten die tot 9120 min (~ 1 week) aan lucht waren blootgesteld. Afbeelding 5a vergelijkt I _D -V _G kenmerken van apparaten met luchtblootstellingstijden van 0 min, 2 h en 9120 min. De mobiliteit van de drager wordt weergegeven als een functie van de blootstellingsduur aan de lucht in figuur 5b. De draagmobiliteit van een niet aan de lucht blootgesteld apparaat is 1,97 cm ² V ^-1 s ^-1 . De mobiliteit neemt toe met de duur van de blootstelling aan lucht totdat deze duur 4 h bereikt. De hoogste mobiliteit van de drager (3,08 cm ² V ^-1 s ^-1 ) wordt bereikt na een blootstelling aan lucht van 2 tot 4 h. Verdere monitoring van de vervoerdermobiliteit laat zien dat deze geleidelijk afneemt bij extra luchtblootstelling. De mobiliteit van de drager neemt af tot 1,61 cm ² V ^-1 s ^-1 nadat het apparaat 9120 minuten aan lucht is blootgesteld (ongeveer 1 week). Deze achteruitgang van de mobiliteit van de drager kan optreden omdat het kanaal gemakkelijk wordt geoxideerd door vocht, zoals hieronder weergegeven in Vgl. (2) [25]. In deze vergelijking vertegenwoordigen OSC en OSC+ respectievelijk de organische halfgeleider en het moleculaire kation.

(Online kleuren) (a ) Typisch ik _d -V _g kenmerken van het HV-apparaat, het 2-uurs-luchtapparaat en het 9120-min-luchtapparaat; (b ) mobiliteit van de vervoerder als functie van de blootstellingstijd aan de lucht

Na een periode van blootstelling aan lucht, induceert vochtadsorptie onbezette toestanden boven de HOMO en genereert diepe gaten, die het transport van de drager in het kanaal aanzienlijk verslechteren en de contactweerstand verhogen [24]. Gomes et al. en Peter et al. hebben aangetoond dat water op het oppervlak van SiO₂ speelt een belangrijke rol in p-type OTFT's. Vanwege de Si–O–H ↔ Si–O ⁻ + H ⁺ reactie is een significante hoeveelheid hydronium aanwezig in de geabsorbeerde waterlaag [26]. Bovendien worden mobiele ladingen in de halfgeleider langzaam vervangen door immobiele ladingen op de SiO₂ oppervlak dat omkeerbaar kan migreren naar bulk SiO₂ . Daarom zullen langdurige blootstelling aan lucht, constante absorptie en interactie van vocht leiden tot verhoogde transistorinstabiliteit [27] en de mobiliteit van de drager verminderen.

Met behulp van een vergelijkende studie van apparaten die zijn blootgesteld aan verschillende gasomgevingen, hebben we aangetoond dat vocht in de lucht een aanzienlijke invloed heeft op de elektrische prestatiekenmerken van C8-BTBT-OTFT-apparaten. We ontdekten ook dat een geschikte blootstelling aan de lucht de elektrische prestaties van het apparaat kan verbeteren, maar een lange blootstellingstijd verslechtert deze. Er wordt algemeen aangenomen dat het blootstellen van organische apparaten aan lucht schadelijk is voor hun elektrische eigenschappen. Het huidige werk demonstreert ook de positieve rol van vocht bij het passiveren van C8-BTBT halfgeleidervallen en het verlagen van R _C waarden. Het biedt ook nuttige inzichten in de ideeën die de prestaties van het C8-BTBT OTFT-apparaat kunnen verbeteren en de kennis van hun luchtstabiliteit kunnen verbeteren.

Conclusies

Samenvattend hebben we de effecten van omgevingsgassen op de elektrische eigenschappen van in oplossing verwerkte C8-BTBT OTFT's onderzocht. De elektrische eigenschappen van apparaten die zijn blootgesteld aan verschillende omgevingsgassen (HV, O₂ , N₂ , en lucht) werden vergeleken. We hebben vastgesteld dat de elektrische eigenschappen van de O₂ apparaat en N₂ apparaat varieerde weinig ten opzichte van het HV-apparaat. Er werd echter een significante verbetering in elektrische eigenschappen waargenomen met het luchtapparaat. Voor de 70 apparaten met 2  uur blootstelling aan de lucht waren de gemiddelde en hoogste draaggolfmobiliteiten 4,82 en 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 , respectievelijk. Dit is te vergelijken met 2,76 en 4,70 cm ² V ^-1 s ^-1 voor HV-apparaten. De laagste drempelspanningen werden ook waargenomen met behulp van de luchtapparaten. Aangenomen wordt dat de verbeterde elektrische prestaties van het luchtapparaat te wijten zijn aan verminderde contactweerstand en verminderde MoO₃ werkfunctie na blootstelling aan de lucht. Daarnaast werd de luchtstabiliteit van C8-BTBT OTFT onderzocht. De elektrische prestaties gingen achteruit bij blootstelling aan lucht gedurende meer dan 4 h. Dit werk biedt een systematisch begrip van de invloed van omgevingscondities op de elektrische prestatiekenmerken van in oplossing verwerkte C8-BTBT OTFT's. Het helpt bij de ontwikkeling van hoogwaardige, luchtstabiele, afdrukbare OTFT-apparaten.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

Au:

Goud

C8-BTBT:

2,7-dioctyl [1] benzothieno[3,2-b][1]-benzothiofeen

HOMO:

Hoogst bezette moleculaire orbitaal

HV:

Hoog vacuüm

Ik _D :

Afvoerstroom

L:

Kanaallengte

MoO₃ :

Molybdeenoxide

OTFT's/OTFT:

Organische dunnefilmtransistors

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

R _C :

Contactweerstand

RMS:

Wortelgemiddelde kwadraat

R _totaal :

Totale weerstanden

TFT's:

Dunne-filmtransistors

V _G :

Poortspanning

W :

Kanaalbreedte