Efek Gas Sekitar pada Kinerja Listrik Transistor Film Tipis C8-BTBT yang Diproses dengan Solusi

Hasil dan Diskusi

Struktur penampang perangkat OTFT ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1a. Dari bawah ke atas, terdiri dari substrat Si yang sangat terdoping, silikon oksida 50 nm, film C8-BTBT 45 nm, dan Au(40 nm)/MoO₃ (5 nm) elektroda. Au/MoO₃ elektroda sumber/penguras digunakan untuk mengurangi penghalang kontak antara elektroda Au dan C8-BTBT, yang dapat membantu meningkatkan efisiensi injeksi muatan dan menghasilkan perangkat mobilitas tinggi [10]. Gambar 1b menunjukkan struktur molekul C8-BTBT, MoO₃ , dan PMMA. Perlu diperhatikan bahwa PMMA ditambahkan ke C8-BTBT untuk membuat larutan campuran dalam pekerjaan kami. Memadukan polimer menjadi semikonduktor organik molekul kecil adalah metode umum untuk meningkatkan kinerja listrik semikonduktor organik. Ini membantu untuk membentuk film semikonduktor yang halus dan terus menerus. Selain itu, perbedaan massa menginduksi pemisahan fase vertikal, yang diharapkan dapat mengurangi jumlah perangkap permukaan dalam semikonduktor [19]. Gambar morfologi permukaan AFM dari film tipis C8-BTBT ditunjukkan pada Gambar. 1c. Hal ini menunjukkan ukuran butir yang besar, kontinuitas permukaan yang baik, dan morfologi permukaan yang halus (nilai RMS 2.081 nm). Gambar 1d menunjukkan diagram skematik prosedur pengujian yang digunakan dengan sampel yang telah terpapar HV, nitrogen, oksigen, dan udara. Untuk setiap gas sekitar, 70 perangkat diukur setelah 2  jam pemaparan.

(Warna online) (a ) Diagram skematis dari struktur perangkat. (b ) Struktur molekul C8-BTBT, molibdenum oksida, dan PMMA yang digunakan dalam percobaan. (c ) Gambar morfologi permukaan AFM dari film C8-BTBT menunjukkan nilai RMS yang kecil yaitu 2,08 nm. (d ) Prosedur pengujian yang digunakan untuk mengukur karakteristik kinerja listrik 70 unit dari setiap jenis perangkat (vakum tinggi, atmosfer nitrogen, atmosfer oksigen, dan atmosfer udara)

Untuk memperjelas bagaimana perbedaan gas ambien mempengaruhi kinerja listrik perangkat, karakteristik transfer dari keempat jenis perangkat ini dibandingkan. Gambar 2a dan 2b menunjukkan tegangan gerbang arus drain tipikal (I _D -V _G ) kurva saluran pendek (L = 50 μm) dan saluran panjang (L = 350 μm) perangkat, masing-masing. Semua perangkat memiliki lebar saluran yang sama yaitu 1200 μm dan diukur menggunakan tegangan pembuangan 40 V yang sama. Tidak ada loop histeresis signifikan yang diamati terlepas dari paparan gas atau panjang saluran. Penurunan yang jelas pada arus pengurasan off-state (I _nonaktif ) dan peningkatan arus drainase on-state (I _pada ) diamati untuk perangkat yang terpapar udara. Rasio arus on/off drain setinggi 10 ⁷ , sedangkan perangkat HV, O₂ perangkat, dan N₂ perangkat 10 ⁶ . Selain itu, perangkat udara menunjukkan mobilitas pembawa yang hampir dua kali lebih tinggi dari perangkat lain dan V _TH yaitu 5 hingga 8 V lebih rendah. Hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan 2b menunjukkan bahwa perangkat yang terpapar udara selama 2 jam menunjukkan sifat listrik yang lebih baik daripada perangkat yang terpapar gas sekitar lainnya. Transfer biasa (V _D = − 40 V) dan karakteristik keluaran perangkat udara dengan panjang saluran 350 μm masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2c dan 2d. Angka-angka ini menunjukkan karakteristik kinerja listrik yang luar biasa dari solusi yang diproses transistor C8-BTBT. Aku . yang jenuh dengan baik _D -V _G kurva, besar I _pada /Aku _nonaktif dari 10 ⁷ , dan mobilitas operator tinggi sebesar 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 diamati. Loop histeresis kecil yang ditunjukkan pada Gambar. 2c menunjukkan bahwa antarmuka yang tidak sempurna ada antara C8-BTBT dan SiO₂ . I . non-linier _D -V _D kurva pada tegangan drain rendah yang ditunjukkan pada Gambar. 2d menunjukkan bahwa penghalang potensial pada antarmuka kontak masih belum cukup rendah untuk konduksi ohmik, meskipun penggunaan MoO₃ lapisan untuk mengurangi penghalang antarmuka antara elektroda S/D dan semikonduktor. Performa kelistrikan perangkat udara dapat lebih ditingkatkan melalui pengoptimalan antarmuka di masa mendatang.

(Warna online) Karakteristik transfer khas transistor setelah terpapar berbagai kondisi lingkungan:50 μm (a ) dan 350 μm (b ) panjang saluran. Karakteristik transfer tipikal (c ) dan karakteristik keluaran (d ) perangkat dengan mobilitas 8,07 cm ² (V s) ⁻¹ , Aku _pada /Aku _nonaktif rasio 10 ⁷ , dan saluran sepanjang 350 μm

Untuk mendapatkan data yang andal dan statistik, kami mengukur total 280 perangkat (70 perangkat untuk setiap kondisi lingkungan). Mobilitas pembawa dan hasil eksperimen tegangan ambang diringkas dan diplot sebagai histogram pada Gambar 3a dan 3b. Selain itu, mobilitas pembawa rata-rata, mobilitas pembawa tertinggi, dan tegangan ambang rata-rata perangkat yang terpapar berbagai gas ambien ditunjukkan pada Tabel 1. Mobilitas pembawa rata-rata tertinggi (4,82 cm ² V ^-1 s ^-1 ) dan tegangan ambang terendah (− 20.16 V) diamati dengan perangkat yang terpapar udara. Dengan demikian, perangkat yang terpapar udara menunjukkan kinerja listrik terbaik dari jenis perangkat yang diuji. Perangkat HV, N₂ perangkat, dan O₂ histogram perangkat menunjukkan hanya sedikit perbedaan dalam mobilitas pembawa rata-rata, mobilitas pembawa tertinggi, dan tegangan ambang batas. Diketahui bahwa udara terdiri dari nitrogen (78%), oksigen (21%), kelembaban, dll. HV, N₂ , dan O₂ perangkat menunjukkan karakteristik kelistrikan yang serupa, yang menunjukkan bahwa paparan terhadap N₂ dan O₂ tidak menghasilkan perbedaan kinerja yang signifikan relatif terhadap perangkat HV. Seseorang dapat berasumsi bahwa kelembaban memainkan peran kunci dalam meningkatkan kinerja listrik perangkat udara. Kisaran kelembaban relatif selama percobaan ini adalah 40-59%. Akibatnya, kemungkinan H₂ O di udara memengaruhi kinerja perangkat.

(Warna online) Histogram statistik dari mobilitas operator (a ) dan tegangan ambang (b ) diamati dari perangkat yang terpapar berbagai gas uji. c Plot model saluran transmisi dengan fitting linier R _jumlah A dan dampak kondisi lingkungan pada resistensi kontak (d ), mobilitas rata-rata (e ), dan tegangan ambang rata-rata (f )

Untuk memahami variasi berbasis paparan gas dalam sifat kelistrikan transistor berbasis C8-BTBT ini, kami mengukur I _D -V _G kurva perangkat dengan panjang saluran 50 hingga 350 μm. Resistansi kontak logam/semikonduktor (R _C ) diselidiki untuk keempat jenis perangkat. Kami tampil R _C ekstraksi menggunakan metode garis transfer, yang didasarkan pada persamaan rezim linier berikut (1):[20].

Gambar 3c menunjukkan hambatan total (R _jumlah ) perangkat yang terpapar pada kondisi lingkungan yang berbeda sebagai fungsi dari panjang saluran. R _C nilai diekstraksi dari y -memotong garis pas dan diplot oleh gas paparan. R _C nilai dibandingkan pada Gambar. 3d berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Hanya perbedaan kecil antara HV, N₂ , dan O₂ perangkat dicatat. Namun, perangkat udara menunjukkan penurunan yang signifikan dalam R _C . Mobilitas pembawa rata-rata dan tegangan ambang rata-rata masing-masing dirangkum dalam Gambar 3e dan 3f. Perangkat udara menunjukkan mobilitas pembawa yang jauh lebih tinggi dan tegangan ambang batas yang lebih rendah daripada rekan-rekan mereka. R _C nilai, mobilitas pembawa rata-rata dan tertinggi, dan tegangan ambang dari empat jenis perangkat dirangkum dalam Tabel 1. Berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 3d–f dan Tabel 1, kita dapat menyimpulkan bahwa peningkatan sifat listrik yang ditunjukkan oleh perangkat udara terkait erat dengan pengurangan resistansi kontak antara semikonduktor C8-BTBT dan elektroda sumber / penguras. Selanjutnya, N₂ dan O₂ sifat kelistrikan perangkat tidak menyimpang secara signifikan satu sama lain atau perangkat HV. Ini menunjukkan bahwa penurunan R _C nilai yang mendorong peningkatan mobilitas pembawa dan penurunan tegangan ambang disebabkan oleh H₂ O di udara, bukan N₂ atau O₂ konsentrasi. Mekanisme interaksi ini tidak jelas, tetapi diasumsikan bahwa anion hidronium dan hidroksil dari H₂ O dapat mempasifkan jebakan dan cacat pada semikonduktor C8-BTBT. Hasil kami saat ini memberikan wawasan lebih lanjut tentang peran udara dalam mengurangi hambatan kontak dan meningkatkan kinerja listrik secara keseluruhan.

Untuk lebih memahami mekanisme yang mendorong perbedaan kinerja listrik perangkat, kami melakukan pengukuran spektrum Raman dari film C8-BTBT yang terpapar pada berbagai kondisi lingkungan. Gambar 4a membandingkan spektrum Raman film C8-BTBT yang terpapar HV dan udara. Hanya 1300 cm ⁻¹ –1600 cm ⁻¹ rentang spektral ditunjukkan karena puncak ini biasanya terkait dengan molekul C8-BTBT dan semua pita sensitif muatan terletak di wilayah ini. Biasanya, molekul C8-BTBT menyesuaikan diri dengan sumbu panjang (c -sumbu) sepanjang SiO₂ /Si substrat. Susunan herringbone dari bagian inti BTBT muncul pada arah in-plane [14]. Puncak tiofena terletak pada 1314 cm ⁻¹ dan 1465 cm ⁻¹ , sedangkan puncak dalam bidang C–H muncul pada 1547 cm ⁻¹ [6, 21]. Spektrum Raman sampel C8-BTBT yang terpapar HV, O₂ , dan N₂ tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Ketika sampel terkena udara untuk jangka waktu tertentu, itu menunjukkan pemisahan Davydov pada 1547 cm ⁻¹ karena interaksi antara anion hidroksil dari air dan hidrogen dari gugus C-H. [22] Ikatan C-H dari penumpukan molekul C8-BTBT biasanya tersuspensi di permukaan [14]. Dengan demikian, ia dapat dengan mudah berinteraksi dengan kelembaban di udara dan meningkatkan mobilitas pembawa melalui interaksi -π dan van der Waals yang ditingkatkan [5, 9]. Hasil ini memberikan dukungan lebih lanjut untuk asumsi kami sebelumnya bahwa anion hidroksil pasif menjebak dalam film C8-BTBT.

(Warna online) (a ) Spektrum Raman (λ _kecuali = 633 nm) film tipis C8-BTBT dalam kondisi HV dan udara. Sisipan menunjukkan pembesaran area antara 1542 dan 1554 cm ⁻¹ . (b ) Diagram skema perubahan fungsi kerja di MoO_x di perangkat HV- dan udara, menghasilkan pengurangan ketinggian penghalang yang terkait dengan injeksi muatan dari elektroda S/D ke C8-BTBT

Seperti Irfan dkk. melaporkan [23], fungsi kerja (W _B ) dari MoO 5,5 nm yang diuapkan secara termal_x adalah 6,82 eV. Namun, ini menurun 1,18 hingga 5,64 eV setelah 1 h paparan udara. Pengurangan W _B pada paparan udara mungkin karena adsorpsi kelembaban pada permukaan film. Berdasarkan hasil yang ditunjukkan oleh Irfan et al., kami mengusulkan model yang menggambarkan efek paparan udara pada resistansi kontak C8-BTBT dan kinerja listrik (Gbr. 4b) [9, 19, 23]. Diasumsikan bahwa pengurangan ketinggian penghalang kontak antara logam dan semikonduktor akan meningkatkan efisiensi injeksi pembawa, mengurangi resistansi kontak, dan meningkatkan mobilitas pembawa. Mekanisme lain yang mungkin dari R _C reduksi adalah pasivasi perangkap pada antarmuka antara C8-BTBT dan Au/MoO₃ elektroda. Menurut Wang et al., kepadatan perangkap antarmuka logam/semikonduktor secara signifikan mempengaruhi resistensi kontak antarmuka [24]. Dalam karya ini, hidronium dari air mempasifkan perangkap antarmuka, menghasilkan R _C pengurangan.

Akhirnya, stabilitas udara OTFT C8-BTBT diselidiki. Kami mengukur sifat listrik perangkat C8-BTBT yang telah terpapar udara hingga 9120 min (~ 1 minggu). Gambar 5a membandingkan Saya _D -V _G karakteristik perangkat dengan waktu paparan udara 0 min, 2 h, dan 9120 min. Mobilitas pembawa ditunjukkan sebagai fungsi dari durasi paparan udara pada Gambar. 5b. Mobilitas pembawa perangkat yang tidak terpapar udara adalah 1,97 cm ² V ^-1 s ^-1 . Mobilitas meningkat dengan durasi paparan udara hingga durasi ini mencapai 4 h. Mobilitas operator tertinggi (3,08 cm ² V ^-1 s ^-1 ) dicapai setelah waktu paparan udara 2 hingga 4 h. Pemantauan lebih lanjut dari mobilitas pembawa menunjukkan bahwa itu berkurang secara bertahap dengan paparan udara tambahan. Mobilitas operator berkurang menjadi 1,61 cm ² V ^-1 s ^-1 setelah perangkat terpapar udara selama 9120 menit (sekitar 1 minggu). Degradasi mobilitas pembawa ini dapat terjadi karena saluran mudah teroksidasi oleh uap air seperti yang ditunjukkan di bawah dalam Persamaan. (2) [25]. Dalam persamaan ini, OSC dan OSC+ masing-masing mewakili semikonduktor organik dan kation molekul.

(Warna online) (a ) Tipikal Aku _d -V _g karakteristik perangkat HV, perangkat udara 2-jam, dan perangkat udara 9120-menit; (b ) mobilitas pembawa sebagai fungsi waktu paparan udara

Setelah periode paparan udara, adsorpsi kelembaban menginduksi keadaan kosong di atas HOMO dan menghasilkan perangkap lubang yang dalam, yang secara signifikan menurunkan transportasi pembawa di saluran dan meningkatkan resistansi kontak [24]. Gomes dkk. dan Petrus dkk. telah menunjukkan bahwa air di permukaan SiO₂ memainkan peran penting dalam OTFT tipe-p. Karena Si–O–H Si–O ⁻ + H ⁺ reaksi, sejumlah besar hidronium hadir di lapisan air yang diserap [26]. Selain itu, muatan bergerak dalam semikonduktor secara perlahan digantikan oleh muatan tidak bergerak pada SiO₂ permukaan yang dapat bermigrasi secara reversibel ke SiO massal₂ . Oleh karena itu, paparan udara untuk waktu yang lama, penyerapan konstan dan interaksi kelembaban akan menyebabkan peningkatan ketidakstabilan transistor [27] dan mengurangi mobilitas pembawanya.

Menggunakan studi perbandingan perangkat yang terpapar berbagai lingkungan gas, kami menunjukkan bahwa kelembaban di udara memiliki dampak signifikan pada karakteristik kinerja listrik perangkat C8-BTBT-OTFT. Kami juga menemukan bahwa waktu paparan udara yang tepat dapat meningkatkan kinerja kelistrikan perangkat tetapi waktu paparan yang lama menurunkannya. Dipercaya secara luas bahwa mengekspos perangkat organik ke udara berbahaya bagi sifat listriknya. Karya ini juga menunjukkan peran positif dari kelembaban dalam pasif perangkap semikonduktor C8-BTBT dan menurunkan R _C nilai-nilai. Ini juga memberikan wawasan yang berguna tentang ide-ide yang dapat meningkatkan kinerja perangkat OTFT C8-BTBT dan meningkatkan pengetahuan tentang stabilitas udaranya.