In-situ annealing verhoogt mobiliteit van spray-gecoate TIPS-pentaceen OFETs

Samenvatting

We hebben bottom-gate, top-contact organische veld-effect transistors (OFETs) gefabriceerd met behulp van een spray-coating benadering en het effect van in-situ annealing tijdens de depositie onderzocht. Vergeleken met conventionele post-annealing, leverde een in-situ anneal van 60 °C een bijna viervoudige verbetering van de veld-effect mobiliteit op: van 0,056 naar 0,191 cm²/Vs. Optische microscopie, atoomkrachtmicroscopie (AFM) en röntgendiffractie (XRD) toonden aan dat deze mobiliteitsverbetering voortkomt uit superieure kristallisatie en een sterk geordende TIPS-pentaceen pakking.

Achtergrond

OFETs zijn veelbelovend voor flexibele elektronica, displays, RFID-tags en logische circuits. Verschillende depositiemethoden – zoals blade coating, inkjet-printen, gravure-printen en spray-coating – zijn onderzocht om hoogpresterende devices te creëren. Spray-coating is bijzonder aantrekkelijk vanwege het lage solventgebruik, de hoge doorvoer en de compatibiliteit met diverse substraten.

Recente studies hebben druppeltjesgrootte, solvenssamenstelling en substraatverhitting onderzocht om de filmkristalliniteit te verbeteren. De rol van in-situ annealing tijdens spray-coating is echter nog onderbelicht. Conventionele oplossingsverwerking vereist vaak langdurige bakstappen die de productie onderbreken. Een simpel in-situ annealing protocol kan de productie versnellen terwijl de deviceprestaties behouden of verbeterd blijven.

In dit werk pasten we in-situ annealing toe bij 60, 90 en 120 °C tijdens spray-depositie van TIPS-pentaceen op PMMA-dielektrika. De 60 °C behandeling leverde de hoogste mobiliteit (0,191 cm²/Vs) op, toeschrijfbaar aan verbeterde kristalliniteit en moleculaire ordening, bevestigd door microscopie en XRD.

Methoden

De device-architectuur is weergegeven in Fig. 1(a). PMMA (100 mg/mL in anisool) werd gespincote tot een dikte van 520 nm en gebakken bij 150 °C gedurende 1 uur. Een 30 nm dikke TIPS-pentaceen laag (3 mg/mL in dichloorbenzeen) werd gespraycoated met een snelheid van 20 μL/s vanaf een nozzlehoogte van 12 cm, terwijl het substraat op de gewenste temperatuur werd gehouden. Tot slot werden 50 nm gouden source/drain-electroden thermisch geëvaporeerd door een schaduwmasker (kanaalbreedte/lengte = 1 cm / 100 μm). De TIPS-pentaceen dikte werd bepaald door de PMMA-dikte af te trekken van de totale stapelhoogte gemeten met een stap-profiler. Elektrische kenmerken werden vastgelegd met een Keithley 4200 in lucht. Mobiliteit werd geëxtraheerd uit het verzadigingsregime met behulp van de standaard transfercurve-vergelijking. Morfologie werd onderzocht met optische microscopie (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research) en XRD (TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA).

Resultaten en Discussie

Device A werd gefabriceerd met een 120 °C post-anneal (20 min). Devices B, C en D gebruikten in-situ annealing bij respectievelijk 60, 90 en 120 °C. Transfer- en outputkarakteristieken (Fig. 2) tonen typisch p-type gedrag. Tabel 1 vat de belangrijkste prestatieparameters samen.

Met 60 °C in-situ annealing (Device B) steeg de mobiliteit naar 0,191 cm²/Vs, en de drempelspanning verschuifde positief van –1,7 naar –0,9 V. In tegenstelling degradeerden 90 °C en 120 °C behandelingen de prestaties: μ daalde naar 0,04 en 0,0005 cm²/Vs, en V_TH verschuifde naar +2,0 V. De sub-drempelhelling nam toe met de annealtemperatuur, wat wijst op hogere valdigheden aan de dielektrikum/semiconductor-interface.

Optische microscopie (Fig. 3) onthulde grote, uitgerekte korrels voor Device B, terwijl Devices C en D kleinere, cirkelvormige korrels vertoonden. AFM-beelden (Fig. 4) bevestigden dat de 60 °C film goed geordende korrels met weinig grenzen bezat, terwijl hogere temperaturen dicht gepakte, kleine eilanden produceerden die ladingstransport belemmeren. XRD (Fig. 5) toonde de sterkste (00l) Bragg-pieken voor Device B, wat superieure kristalliniteit bevestigt. De verminderde piekintensiteit bij 90 °C en 120 °C correleert met de waargenomen prestatiedaling.

Conclusies

Spray-gecoate TIPS-pentaceen OFETs gefabriceerd met een 60 °C in-situ anneal vertonen een viervoudige toename in mobiliteit (0,191 cm²/Vs) vergeleken met conventionele post-annealing. Deze verbetering is te wijten aan verbeterde kristalliniteit en geordende korrelgroei, zoals bewijs wordt geleverd door optische, AFM- en XRD-analyses. In-situ annealing biedt daarmee een schaalbare, laagkost route naar hoogpresterende OFETs geschikt voor flexibele elektronica en andere opkomende toepassingen.