Pengeringan In-Situ Meningkatkan Mobilitas OFET TIPS-Pentacene Dilapisi dengan Spray
Abstrak
Kami memproduksi transistor efek lapangan organik (OFET) gate bawah, kontak atas dengan pendekatan lapisan spray dan menyelidiki dampak pengeringan in-situ selama deponisasi. Dibandingkan dengan pengeringan pasca konvensional, pengeringan in-situ 60 °c meningkatkan mobilitas efek lapangan dari 0,056 ke 0,191 cm²/Vs—peningkatan hampir empat kali lipat. Mikroskopi optik, mikroskopi daya atom (AFM), dan difraksi X-ray (XRD) mengungkapkan bahwa peningkatan mobilitas berasal dari kristalisasi yang lebih unggul dan pengempaan TIPS-pentacene yang sangat teratur.
Latar Belakang
OFET menjanjikan untuk elektronika fleksibel, layar, tag RFID, dan rangkaian logika [1–7]. Berbagai metode deponisasi—blade coating, cetak injek, cetak gravur, dan lapisan spray—telah dieksplorasi untuk membuat perangkat berkinerja tinggi [6–16]. Lapisi spray sangat menarik karena kebutuhan pelarut yang rendah, throughput tinggi, dan kompatibilitas dengan substrat yang beragam [17–19].
Studi terbaru telah meneliti ukuran titik [16], komposisi pelarut [20], dan pemanasan substrat [21–26] untuk meningkatkan kristalin film. Namun, peran pengeringan in-situ selama lapisan spray masih kurang dieksplorasi. Pemrosesan larutan konvensional sering memerlukan langkah pemanggang panjang yang mengganggu produksi. Memperkenalkan protokol pengeringan in-situ yang sederhana dapat mempercepat manufaktur sambil mempertahankan atau meningkatkan kinerja perangkat.
Dalam karya ini, kami menerapkan pengeringan in-situ pada 60, 90, dan 120 °c selama deponisasi spray TIPS-pentacene pada dielektrik PMMA. Perawatan 60 °c menghasilkan mobilitas tertinggi (0,191 cm²/Vs), yang dapat dikaitkan dengan kristalin dan pengurutan molekul yang lebih baik, seperti yang dikonfirmasi oleh mikroskopi dan XRD.
Metode
Arsitektur perangkat diilustrasikan dalam Gambar 1(a). PMMA (100 mg/mL dalam anisol) di-spin-coat dengan ketebalan 520 nm dan dipanggang pada 150 °c selama 1 jam. Lapisan TIPS-pentacene 30 nm (3 mg/mL dalam dikelorobenzen) di-lapisi spray pada 20 μL s⁻¹ dari ketinggian nozzle 12 cm, sementara substrat dipertahankan pada suhu yang diinginkan. Akhirnya, elektroda sumber/drain Au 50 nm dipanaskan termal melalui masker bayangan (lebar saluran/panjang = 1 cm / 100 μm). Ketebalan TIPS-pentacene ditentukan dengan mengurangi ketebalan PMMA dari total tumpukan yang diukur dengan step profiler. Karakteristik listrik dicatat dengan Keithley 4200 di udara. Mobilitas diekstraksi dari regime saturasi menggunakan persamaan kurva transfer standar. Morfologi diperiksa dengan mikroskopi optik (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research), dan XRD (TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA).
a Skematik fabrikasi OFET dengan lapisan spray. b, c Struktur molekul PMMA dan TIPS-pentacene. d Arsitektur perangkat.
Hasil dan Pembahasan
Perangkat A dibuat dengan pengeringan pasca 120 °c (20 menit). Perangkat B, C, dan D menggunakan pengeringan in-situ pada 60, 90, dan 120 °c, masing-masing. Karakteristik transfer dan output (Gambar 2) menunjukkan perilaku tipe-p typikal. Tabel 1 merangkum metrik kinerja utama.
a Kurva transfer perangkat A–D. b–e Kurva output.
Dengan pengeringan in-situ 60 °c (Perangkat B), mobilitas naik ke 0,191 cm²/Vs, dan tegangan ambang bergeser positif dari –1,7 ke –0,9 V. Di sisi lain, perawatan 90 °c dan 120 °c menurunkan kinerja: μ turun ke 0,04 dan 0,0005 cm²/Vs, dan V_TH bergeser ke +2,0 V. Swing ambang bawah meningkat dengan suhu pengeringan, yang mengindikasikan kepadatan jebakan yang lebih tinggi pada antarmuka dielektrik/semikonduktor [27].
Mikroskopi optik (Gambar 3) mengungkapkan butiran besar dan panjang untuk Perangkat B, sedangkan Perangkat C dan D menampilkan butiran lebih kecil dan bulat. Gambar AFM (Gambar 4) mengonfirmasi bahwa film 60 °c memiliki butiran yang teratur dengan sempitan jarak, sementara suhu yang lebih tinggi menghasilkan pulau kecil yang padat yang menghambat transportasi muatan. XRD (Gambar 5) menunjukkan puncak Bragg (00l) yang paling kuat untuk Perangkat B, mengonfirmasi kristalin yang unggul. Pengurangan intensitas puncak pada 90 °c dan 120 °c berkorelasi dengan penurunan kinerja yang diamati.
Mikrograf optik: (a) post-annealed 120 °c; (b–d) pengeringan in-situ pada 60, 90, 120 °c.
Topografi AFM: (a) post-annealed 120 °c; (b–d) pengeringan in-situ pada 60, 90, 120 °c. Sisipan: skala 1 μm.
Spektrum XRD dinormalisasi untuk film post-annealed dan in-situ annealed.
Kesimpulan
OFET TIPS-pentacene yang dilapisi spray dan dibuat dengan pengeringan in-situ 60 °c menunjukkan peningkatan mobilitas empat kali lipat (0,191 cm²/Vs) dibandingkan dengan pengeringan pasca konvensional. Peningkatan ini berasal dari kristalin yang ditingkatkan dan pertumbuhan butiran yang teratur, seperti yang ditunjukkan oleh analisis optik, AFM, dan XRD. Pengeringan in-situ oleh karena itu menawarkan rute yang dapat diskalakan dan hemat biaya untuk OFET berkinerja tinggi yang cocok untuk elektronika fleksibel dan aplikasi muncul lainnya.
