Pengaruh Perlakuan In-Situ Annealing pada Mobilitas dan Morfologi Transistor Efek Medan Organik Berbasis TIPS
Abstrak
Dalam karya ini, transistor efek medan organik (OFET) dengan struktur kontak atas gerbang bawah dibuat dengan menggunakan metode pelapisan semprot, dan pengaruh perlakuan anil in situ pada kinerja OFET diselidiki. Dibandingkan dengan metode pasca-anil konvensional, mobilitas efek medan OFET dengan perlakuan anil in situ 60 °C meningkat hampir empat kali lipat dari 0,056 menjadi 0,191 cm
2
/Vs. Morfologi permukaan dan kristalisasi film TIPS-pentacene dikarakterisasi dengan mikroskop optik, mikroskop gaya atom, dan difraksi sinar-X. Kami menemukan bahwa peningkatan mobilitas terutama dikaitkan dengan peningkatan kristalisasi dan molekul TIPS-pentacene yang sangat teratur.
Latar Belakang
Transistor efek medan organik (OFETs) telah menarik banyak perhatian sebagai kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi praktisnya dalam kertas elektronik fleksibel, tampilan panel datar, tag identifikasi frekuensi radio (RFID), dan sirkus logika [1,2,3,4, 5,6,7]. Sampai saat ini, beberapa strategi seperti pelapisan pisau [6, 8, 9], pencetakan ink-jet [10, 11], pencetakan gravure [12, 13], dan teknologi penyemprotan yang baru muncul [14,15,16] telah telah terbukti menjadi metode yang efisien untuk fabrikasi perangkat elektronik. Di antara metode-metode ini, pelapisan semprot telah diselidiki secara intensif karena keunggulannya yang unik di bidang manufaktur. Melalui metode pelapisan semprot, berbagai bahan dengan kelarutan rendah dalam pelarut yang kurang beracun dapat diterapkan karena persyaratan konsentrasi larutan yang rendah [17]. Selain itu, pelapisan semprot memungkinkan dengan kecepatan produksi yang lebih tinggi dan kompatibilitas yang lebih baik untuk berbagai substrat [18], dan berbagai bentuk film dapat dipolakan melalui topeng bayangan [19]. Selain itu, dibandingkan dengan metode lain, seperti casting spin, pelapisan pisau, dan pencetakan gravure, proses pelapisan semprot dapat mewujudkan film terus menerus tanpa merusak lapisan bawah perangkat:cukup dengan mengontrol kandungan pelarut, ukuran tetesan, dan pemadatan dinamis.
Dalam karya sebelumnya, beberapa metode manufaktur baru telah diterapkan untuk mencapai OFET kinerja tinggi melalui pelapisan semprot. Khim dkk. menyelidiki efek dari ukuran tetesan pada kinerja OFET yang dibuat menggunakan lapisan aktif semikonduktor organik yang dicetak dengan semprotan [16]. Taman dkk. melakukan studi intensif kandungan pelarut dengan menggunakan metode pasca perawatan berbantuan pelarut [20]. Sementara itu, pemanasan substrat terbukti menjadi metode yang efektif dalam meningkatkan kristalinitas film semikonduktor [21, 22]. Untuk itu, beberapa pekerjaan penelitian telah dikembangkan. Sarcletti dkk. meneliti pengaruh timbal balik energi permukaan dan suhu substrat pada mobilitas dalam semikonduktor organik [23]. Juga, Padma et al. menyelidiki pengaruh suhu substrat pada mode pertumbuhan film tipis tembaga ftalosianin pada antarmuka dielektrik/semikonduktor [24]. Selanjutnya, Mikayelyan et al. mempelajari pengaruh suhu substrat pada struktur dan morfologi film yang dievaporasi vakum [25]. Dan efek anil termal pada pengembangan retakan juga telah diselidiki [26]. Meskipun sejumlah besar penelitian telah berfokus pada peningkatan sifat listrik intrinsik dari teknik fabrikasi perangkat, pengaruh perlakuan anil in situ di bidang penelitian OFET berlapis semprot belum mendapat banyak perhatian. Sementara itu, proses solusi konvensional OFET biasanya memerlukan gangguan produksi dan perlakuan pemanggangan serta proses yang memakan waktu. Oleh karena itu, pengembangan teknik pemrosesan anil yang baru merupakan langkah kunci untuk memanfaatkan potensi penuh dari proses penyemprotan.
Dalam penelitian ini, kami memperkenalkan perawatan anil in situ sederhana dalam membuat OFET kinerja tinggi, dan berbagai suhu substrat diterapkan dalam perawatan anil in situ. Dengan perlakuan anil in situ 60 °C, mobilitas perangkat OFET meningkat secara signifikan dari 0,056 menjadi 0,191 cm
2
/Vs, yang terutama dikaitkan dengan peningkatan kristalisasi dan memesan molekul 6,13-bis(triisopropyl-silylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene). Untuk menjelaskan mekanisme peningkatan kinerja ini, mikroskop optik, mikroskop gaya atom (AFM), dan difraksi sinar-X (XRD) digunakan untuk menganalisis morfologi dan kristalisasi film TIPS-pentacene. Pekerjaan kami menunjukkan bahwa dengan perawatan anil in situ yang sederhana, OFET performa tinggi dengan proses manufaktur yang efisien dapat diwujudkan dengan mengontrol kondisi metode anil in situ secara hati-hati.
Metode
Aparatus fabrikasi perangkat ditunjukkan pada Gambar. 1 (a). Struktur kimia poli(metil metakrilat) (PMMA) dan 6,13-bis(triisopropil-silylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene) masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1(b) dan (c). Konfigurasi OFET dengan kontak atas gerbang bawah dengan dielektrik PMMA diilustrasikan pada Gambar 1(d). Kaca berlapis indium tin oxide (ITO) digunakan sebagai substrat dan elektroda gerbang. OFET dibuat dengan prosedur berikut. Pertama, gelas ITO yang ditempatkan pada pemegang polytetrafluoroethylene (PTFE) dibersihkan secara ultrasonik dalam deterjen, aseton, air deionisasi, dan isopropil alkohol masing-masing selama 15 menit. PMMA dilarutkan dalam anisol dengan konsentrasi 100 mg/mL. Kemudian, film PMMA 520 nm, yang berfungsi sebagai dielektrik gerbang, dilapisi spin pada substrat dan dipanggang pada suhu 150 °C selama 1 jam di udara untuk menghilangkan residu pelarut. Ketiga, lapisan aktif TIPS-pentacene 30-nm diendapkan ke substrat yang ditempatkan di atas hot plate melalui proses spray-coating dengan perlakuan anil in situ, dan konsentrasi larutan TIPS-pentacene adalah 3 mg/mL dalam diklorobenzena. Selama percobaan kami, kecepatan pelapisan semprot adalah 20 μL/s dan tinggi (dari airbrush ke substrat) adalah 12 cm, dan semua percobaan dilakukan pada suhu kamar (20 °C). Akhirnya, emas (Au) setebal 50 nm diendapkan secara termal sebagai sumber dan elektroda pembuangan pada film TIPS-pentacene dengan topeng bayangan. Ketebalan film TIPS-pentacene dicirikan oleh profiler langkah. Lapisan PMMA murni dan lapisan PMMA/TIPS-pentacene diukur secara terpisah, dan ketebalan film TIPS-pentacene dapat dihitung dengan pengurangan. Rasio lebar/panjang saluran perangkat adalah 100 (L = 100 μm, M = 1 cm). Karakteristik listrik semua perangkat diukur dengan pengukur sumber Keithley 4200 (Cleveland, OH, USA) di atmosfer udara. Mobilitas efek medan (μ ) diekstraksi dalam rezim saturasi dari kemiringan tertinggi |IDS |
1/2
vs. VGS plot dengan menggunakan persamaan berikut:
a Representasi skematis fabrikasi OFET dengan pelapisan semprot. b , c Struktur molekul PMMA dan TIPS-pentacene dan d arsitektur perangkat OFET yang digunakan dalam penelitian ini
dimana AkuDS adalah arus sumber saluran, dan L (100 μm) dan L (1 cm) masing-masing adalah panjang dan lebar saluran. Ci adalah kapasitansi per unit lapisan dielektrik, dan VGS dan VTH adalah tegangan gerbang dan tegangan ambang, masing-masing. Morfologi permukaan TIPS-pentacene dikarakterisasi dengan mikroskop optik (U-MSSP4, OLYMPUS) dan mikroskop gaya atom (AFM) (MFP-3D-BIO, Asylum Research) dalam mode sadap, dan karakterisasi struktur diambil oleh Difraksi serbuk sinar-X (XRD, TD-3500, Dandong, China) dengan tegangan percepatan 30 kV dan arus yang diterapkan 20 mA.
Hasil dan Diskusi
OFET berdasarkan perlakuan pasca-anil 120 °C selama 20 menit dibuat sebagai perangkat A, dan OFET berdasarkan perlakuan anil in situ dengan suhu 60, 90, dan 120 °C dibuat sebagai perangkat B, C, dan D , masing-masing. Karakteristik transfer tipikal, diuji pada tegangan sumber-penguras (VDS ) dari 40 V dan tegangan gerbang (VGS ) dari 20 hingga 40 V, diuji dan disajikan pada Gambar. 2a. Karakteristik output diuji di bawah VDS dari 40 V dan VGS dari 0 hingga 40 V pada langkah 10 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b–e. Beberapa parameter fundamental, termasuk arus saturasi (Ipada ), mobilitas efek medan (μ ), tegangan ambang (VB ), ayunan subambang (SS), dan rasio hidup/mati (Ipada /Akunonaktif ), yang dapat digunakan untuk mengevaluasi kinerja OFET dirangkum dalam Tabel 1.
a Kurva transfer perangkat A–D. b –e Kurva output perangkat A, B, C, dan D, masing-masing
Tidak disangka, semua perangkat menunjukkan karakteristik transistor tipe-p yang khas. Dapat ditemukan dengan jelas bahwa perlakuan anil in situ memiliki pengaruh luar biasa pada sifat elektronik OFET. Terutama, dengan perlakuan anil in situ 60 °C, kinerja listrik OFET berhasil ditingkatkan, termasuk pergeseran positif VTH (dari 1,7 menjadi 0,9 V), dan peningkatan μ (dari 0,056 hingga 0,191 cm
2
/Vs); mobilitas perangkat B hampir empat kali lipat lebih tinggi daripada perangkat pasca-anil A. Namun, ketika menerapkan dengan perlakuan anil 90 °C in situ, penurunan kinerja perangkat yang ekstensif muncul seiring dengan meningkatnya suhu substrat, termasuk pergeseran ke depan dari VTH dari 0,9 menjadi 2,0 V, dan penurunan μ berkisar antara 0,191 hingga 0,04 cm
2
/Vs. Selanjutnya, ketika suhu anil in situ meningkat menjadi 120 °C, keadaan menjadi lebih buruk, dan penurunan yang nyata dari Ipada dari 12,1 hingga 0,17 μA dan μ dari 0,04 hingga 0,0005 cm
2
/Vs diperoleh. Akibatnya, kinerja perangkat C dan D jauh lebih buruk daripada perangkat A pasca-anil.
Transfer perwakilan dan plot keluaran OFET yang disiapkan dengan metode pelapisan semprot dengan perlakuan anil yang berbeda digambarkan pada Gambar. 2. Dapat dilihat dengan jelas bahwa perangkat B menunjukkan kinerja listrik tertinggi, termasuk tegangan ambang mendekati nol dan ayunan subambang yang sempit . Namun, dengan peningkatan suhu substrat dalam perlakuan anil in situ, pelemahan kinerja listrik terungkap. Ayunan subthreshold menunjukkan tren kenaikan yang jelas seiring dengan suhu anil in situ, yang menyiratkan kepadatan perangkap yang relatif tinggi pada antarmuka antara lapisan dielektrik dan semikonduktor [27].
Untuk meneliti morfologi permukaan film TIPS-pentacene, mikroskop optik digunakan. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 3, diperoleh beragam bentuk dan morfologi film TIPS-pentacene, dan ukuran butir kristal yang berbeda dapat dilihat dengan jelas dari mikroskop optik. Butir kristal besar disajikan pada Gambar. 3a, b, dan film TIPS-pentacene dengan perlakuan anil in situ 60 °C jauh lebih seragam, dan butir ramping dan agak gondrong ditemukan tumbuh di sepanjang arah saluran. Ini menunjukkan organisasi molekul TIPS-pentacene yang lebih baik, menghasilkan kinerja listrik perangkat OFET yang lebih baik. Namun, ketika suhu template naik ke 90 atau 120 °C, morfologi melingkar dengan butiran kecil mulai muncul di perangkat C dan D, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, d. Menurut penelitian sebelumnya, perubahan morfologi film TIPS-pentacene akan menyebabkan variasi sifat listrik perangkat OFET [28,29,30].
Gambar mikroskop optik dari lapisan TIPS-pentacene yang dilapisi semprot. a Suhu substrat suhu kamar diikuti dengan post-annealing pada 120 °C selama 20 menit, b –d Suhu anil in situ masing-masing 60, 90, dan 120 °C
Selanjutnya, AFM digunakan untuk mengkarakterisasi morfologi film TIPS-pentacene yang dilapisi semprot. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 4b, butiran TIPS-pentacene yang tertata dengan baik terbentuk pada dielektrik PMMA, sedangkan butiran kristal tidak beraturan dengan bentuk yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4a, yang sesuai dengan gambar mikroskop optik pada Gambar. 3a dan b. Menariknya, ketika suhu substrat melebihi 60 °C, perubahan signifikan dalam morfologi film TIPS-pentacene dapat diamati. Gambar 4c, d menunjukkan morfologi bulat yang disemprotkan dengan kepadatan besar butiran TIPS-pentacene kecil, dan butiran ini menunjukkan morfologi mikrokristalin yang terdiri dari banyak gugus pulau dengan ukuran berbeda seperti yang ditunjukkan pada sisipan. Selain itu, dengan semakin meningkatnya suhu annealing hingga 120 °C, susunan butir yang jauh lebih kecil terbentuk menghasilkan distribusi yang jarang dengan batas butir yang berlimpah memiliki efek negatif pada transportasi pembawa [16, 31, 32]. Hasil tersebut menunjukkan bahwa suhu anil dapat sangat mempengaruhi sifat pembentuk film, yang mengarah ke perbedaan yang signifikan dalam morfologi film.
Tinggi AFM dan gambar 3D dari lapisan TIPS-pentacene berlapis semprot. a Suhu substrat RT (diikuti dengan post-annealing pada 120 °C 20 menit). b –d Suhu anil in situ masing-masing 60, 90, dan 120 °C. Inset :AFM perbesaran tinggi; bilah ukuran pindaian sisipan adalah 1 μm
Seperti yang kita lihat, perubahan suhu substrat menyebabkan morfologi dan ukuran butir yang berbeda. Dan morfologi terbesar perangkat B dapat dianggap berasal tidak hanya pada suhu anil yang tepat tetapi juga pada kondisi yang disukai untuk pengorganisasian diri molekuler. Ketika OFET dibuat pada suhu substrat yang relatif rendah, penguapan pelarut yang lembut dapat dipertahankan, yang mengarah pada penurunan laju penguapan pelarut, dan tetesan berturut-turut membuat film tetap basah. Sebenarnya, modulasi suhu substrat ini secara langsung mempengaruhi laju penguapan pelarut. Temperatur annealing yang lebih rendah memungkinkan kristal TIPS-pentacene tumbuh perlahan dengan molekul terurut [33], sementara temperatur substrat yang lebih tinggi berkontribusi pada pemadatan yang cepat, tanpa proses pengeringan pelarut yang relatif lambat [34]. Dengan demikian, waktu yang lebih lama diperoleh untuk pengorganisasian diri molekuler selama proses penyemprotan, yang bertanggung jawab untuk tingkat pemisahan fase yang lebih tinggi dan ukuran domain yang lebih besar [33, 35, 36]. Akibatnya, terbentuk butiran yang ramping dan memanjang, dan jembatan untuk transportasi pembawa di wilayah saluran dapat dibangun melalui butiran panjang yang lebih panjang dari 110,8 μm [37].
Untuk menyelidiki lebih lanjut orientasi molekul dan pengemasan dalam film TIPS-pentacene berlapis semprot, XRD diperkenalkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, jejak individu menunjukkan serangkaian puncak Bragg sempit yang ditetapkan untuk refleksi (00l ) dari TIPS-pentacene [38], dan densitas menunjukkan bahwa suhu substrat akan secara dramatis mempengaruhi kristalinitas molekul TIPS-pentacene [39]. Dibandingkan dengan perangkat A dengan perlakuan pasca-anil, perangkat B memiliki intensitas puncak terkuat, yang konsisten dengan mikrograf film TIPS-pentacene, yang menunjukkan bahwa TIPS-pentacene yang diendapkan dengan perlakuan anil 60 °C in situ menghasilkan kristalinitas terbaik dari TIPS-pentacene. Saat suhu substrat meningkat menjadi 90 dan 120 °C, urutan TIPS-pentacene yang lebih rendah terbentuk, yang bertanggung jawab atas penurunan kinerja perangkat [40].
Spektrum XRD yang dinormalisasi dari film TIPS-pentacene yang dilapisi semprot dengan perawatan pasca-anil dan in-situ anil
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah membuat dan menguji OFET dengan menyemprotkan lapisan TIPS-pentacene dengan perlakuan anil in situ, dan morfologi permukaan dan kristalisasi film yang diperoleh diselidiki. Hasil penelitian menunjukkan bahwa unjuk kerja kelistrikan OFET berbasis TIPS-pentacene memiliki korelasi yang kuat dengan kondisi pemrosesan lapisan aktif. Dengan suhu template 60 °C, mobilitas OFET yang dibuat dengan metode anil in situ meningkat dari 0,056 menjadi 0,191 cm
2
/Vs. Peningkatan kinerja dikaitkan dengan kristalisasi yang lebih tinggi dan butir yang dipesan. Perlakuan anil in situ dari metode pelapisan semprot ini diharapkan menjadi cara yang efektif untuk fabrikasi OFET kinerja tinggi serta potensi tinggi untuk manufaktur berbiaya rendah dan keserbagunaan aplikasi.
