TIPS-펜타센 기반 유기 전계 효과 트랜지스터의 이동성과 형태에 대한 제자리 어닐링 처리의 효과

초록

본 연구에서는 바닥 게이트 상부 접촉 구조를 갖는 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)를 스프레이 코팅 방법을 사용하여 제작하고, OFET 성능에 대한 인시츄 어닐링 처리의 영향을 조사하였다. 기존의 포스트 어닐링 방법과 비교하여 60°C의 제자리 어닐링 처리를 사용한 OFET의 전계 효과 이동도가 0.056에서 0.191cm² 로 거의 4배 향상되었습니다. /대. TIPS-펜타센 필름의 표면 형태와 결정화는 광학현미경, 원자간력현미경, X선 회절로 특징지어졌다. 우리는 증가된 이동성이 주로 개선된 결정화와 고도로 정렬된 TIPS-펜타센 분자에 기인한다는 것을 발견했습니다.

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배경

유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)는 유연한 전자 종이, 평판 디스플레이, 무선 주파수 식별(RFID) 태그 및 논리 서커스에서의 실용적인 응용을 위한 유망한 후보로 상당한 주목을 받았습니다[1,2,3,4, 5,6,7]. 지금까지 블레이드 코팅[6, 8, 9], 잉크젯 인쇄[10, 11], 그라비아 인쇄[12, 13] 및 최근에 등장한 스프레이 기술[14,15,16]과 같은 여러 전략이 있습니다. 전자 장치의 제조를 위한 효율적인 방법으로 입증되었습니다. 이러한 방법 중 스프레이 코팅은 제조상의 독특한 이점으로 인해 집중적으로 연구되었습니다. 스프레이 코팅법을 통해 낮은 농도의 용액을 요구하기 때문에 독성이 적은 용매에 용해도가 낮은 다양한 재료를 적용할 수 있다[17]. 또한 스프레이 코팅을 사용하면 생산 속도를 높이고 다양한 기판과의 호환성을 높일 수 있으며[18], 섀도우 마스크를 통해 다양한 형태의 필름을 패턴화할 수 있습니다[19]. 또한, 스핀캐스팅, 블레이드 코팅, 그라비아 프린팅과 같은 다른 방법에 비해 스프레이 코팅 공정은 장치의 바닥층을 손상시키지 않고 연속 필름을 구현할 수 있습니다. 단순히 용매 함량, 액적 크기 및 응고를 제어 역학.

이전 연구에서는 스프레이 코팅을 통해 고성능 OFET를 달성하기 위해 몇 가지 새로운 제조 방법이 적용되었습니다. Kim et al. 스프레이 인쇄된 유기 반도체 활성층을 사용하여 제작된 OFET의 성능에 대한 액적 크기의 영향을 조사했습니다[16]. Park et al. 용매 보조 후처리 방법을 사용하여 용매 함량에 대한 집중 연구를 했습니다[20]. 한편, 기판 가열은 반도체 필름의 결정성을 향상시키는 효과적인 방법으로 입증되었습니다[21, 22]. 이를 위해 여러 연구 작업이 개발되었습니다. Sarcletti et al. 유기 반도체의 이동도에 대한 표면 에너지와 기판 온도의 상호 영향을 연구했습니다[23]. 또한, Padma et al. 유전체/반도체 계면에서 구리 프탈로시아닌 박막의 성장 모드에 대한 기판 온도의 영향을 조사했습니다[24]. 그 후, Mikayelyan et al. 진공 증착 필름의 구조와 형태에 대한 기판 온도의 영향을 연구했습니다[25]. 그리고 균열 발달에 대한 열처리 효과도 조사되었다[26]. 많은 연구가 소자 제작 기술의 고유한 전기적 특성을 개선하는 데 초점을 맞추고 있지만, 스프레이 코팅된 OFET 연구 분야에서 in situ 어닐링 처리의 영향은 그다지 주목받지 못했습니다. 한편, OFET의 기존 솔루션 프로세스는 일반적으로 생산 중단 및 베이킹 처리를 요구할 뿐만 아니라 프로세스에 시간이 많이 소요됩니다. 따라서 새로운 어닐링 공정 기술의 개발은 스프레이 공정의 잠재력을 최대한 활용하기 위한 핵심 단계입니다.

이 연구에서 우리는 고성능 OFET 제조에 간단한 in situ 어닐링 처리를 도입했으며 다양한 기판 온도를 in situ 어닐링 처리에 적용했습니다. 60°C의 제자리 어닐링 처리로 OFET 장치의 이동도가 0.056에서 0.191cm² 로 크게 향상되었습니다. /Vs, 주로 개선된 결정화 및 정렬된 6,13-비스(트리이소프로필-실릴에티닐) 펜타센(TIPS-펜타센) 분자에 기인합니다. 이러한 성능 향상의 메커니즘을 설명하기 위해 광학 현미경, 원자간력 현미경(AFM) 및 X선 회절(XRD)을 사용하여 TIPS-펜타센 필름의 형태 및 결정화를 분석했습니다. 우리의 연구는 간단한 in situ annealing 처리로 in situ annealing 방법의 조건을 주의 깊게 제어함으로써 효율적인 제조 공정을 가진 고성능 OFET를 실현할 수 있음을 보여줍니다.

방법

소자 제작 장치는 Fig. 1(a)와 같다. 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 및 6,13-비스(트리이소프로필-실릴에티닐) 펜타센(TIPS-펜타센)의 화학 구조는 각각 그림 1(b) 및 (c)에 나와 있습니다. PMMA 유전체가 있는 OFET의 하단 게이트 상단 접촉 구성이 그림 1(d)에 나와 있습니다. ITO(인듐 주석 산화물) 코팅 유리를 기판 및 게이트 전극으로 사용했습니다. OFET는 다음 절차에 따라 제작되었습니다. 먼저 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 홀더에 올려진 ITO 유리를 세제, 아세톤, 탈이온수, 이소프로필 알코올로 각각 15분 동안 초음파 세척했습니다. PMMA는 100mg/mL 농도의 아니솔에 용해되었습니다. 그런 다음 게이트 유전체 역할을 하는 520nm PMMA 필름을 기판에 스핀 코팅하고 150°C에서 1시간 동안 공기 중에서 베이킹하여 용매 잔류물을 제거했습니다. 셋째, 30nm TIPS-펜타센 활성층은 in situ 어닐링 처리와 함께 스프레이 코팅 공정을 통해 핫 플레이트 위에 놓인 기판에 증착되었으며, TIPS-펜타센 용액의 농도는 디클로로벤젠에서 3mg/mL였습니다. 실험 중 스프레이 코팅 속도는 20μL/s, 높이(에어브러시에서 기판까지)는 12cm였으며 모든 실험은 실온(20°C)에서 수행되었습니다. 마지막으로 TIPS-펜타센 필름 위에 소스 및 드레인 전극으로 50nm 두께의 금(Au)을 섀도우 마스크로 열 증착하였다. TIPS-펜타센 필름의 두께는 스텝 프로파일러에 의해 특성화되었습니다. 순수 PMMA 층과 PMMA/TIPS-펜타센 층을 별도로 측정하였으며, TIPS-펜타센 필름의 두께는 빼기로 계산할 수 있다. 장치 채널 너비/길이 비율은 100(L =100μm, W =1cm). 모든 소자의 전기적 특성은 대기 분위기에서 Keithley 4200 소스미터(Cleveland, OH, USA)로 측정하였다. 전계 효과 이동성(μ )는 |I의 가장 높은 기울기에서 포화 영역에서 추출되었습니다. _DS |^1/2 대 V _GS 다음 방정식을 사용하여 플롯:

$$ {I}_{\mathrm{DS}}=\left(W/2L\right)\mu {C}_{\mathrm{i}}\left({V}_{\mathrm{GS}} -{V}_{\mathrm{TH}}\right) $$ <그림>

아 스프레이 코팅에 의한 OFET 제작의 개략도. ㄴ , ㄷ PMMA 및 TIPS-펜타센 및 d의 분자 구조 이 연구에 사용된 OFET의 장치 아키텍처

나 _DS 는 드레인-소스 전류이고 L (100μm) 및 W (1cm)는 각각 채널 길이와 너비입니다. C _나 는 유전체 층의 단위당 커패시턴스이고, V _GS 및 V _TH 는 각각 게이트 전압과 문턱 전압이다. TIPS-펜타센의 표면 형태는 탭핑 모드에서 광학 현미경(U-MSSP4, OLYMPUS) 및 원자력 현미경(AFM)(MFP-3D-BIO, Asylum Research)으로 특성화되었으며 구조 특성은 다음과 같이 수행되었습니다. 가속 전압이 30kV이고 인가 전류가 20mA인 X선 분말 회절(XRD, TD-3500, Dandong, China)

결과 및 토론

120°C에서 20분간 열처리한 OFET를 소자 A로 제작하고, 60, 90, 120°C 온도로 인시츄 어닐링 처리한 OFET를 소자 B, C, D로 제작했다. , 각각. 소스-드레인 전압(V _DS ) -40V 및 게이트 전압(V _GS ) 20 ~ -40V의 전압을 테스트하고 그림 2a에 표시했습니다. 출력 특성은 V에서 테스트되었습니다. _DS −40V 및 V _GS 그림 2b–e와 같이 -10V의 단계에서 0~-40V입니다. 포화 전류(I _켜기 ), 전계 효과 이동성(μ ), 임계 전압(V _T ), 하위 임계값 스윙(SS) 및 켜기/끄기 비율(I _켜기 /나 _꺼짐 ), OFET의 성능을 평가하는 데 사용할 수 있는 내용을 표 1에 요약했습니다.

<그림>

아 장치 A-D의 전달 곡선. ㄴ –이 각각 장치 A, B, C, D의 출력 곡선

예상 외로 모든 소자는 전형적인 p형 트랜지스터 특성을 보였다. in situ annealing 처리가 OFET의 전자적 특성에 엄청난 영향을 미친다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 특히, 60°C in situ annealing 처리로 V의 positive shift를 포함하여 OFET의 전기적 성능이 성공적으로 향상되었습니다. _TH (-1.7에서 −0.9 V까지) 및 증가하는 μ (0.056~0.191cm² /Vs); 디바이스 B의 이동도는 포스트 어닐링된 디바이스 A의 이동도보다 거의 4배 더 높습니다. 그러나 90°C in situ 어닐링 처리를 적용할 때 순방향 드리프트를 포함하여 기판 온도 증가와 함께 디바이스 성능의 광범위한 저하가 나타납니다. V의 _TH -0.9에서 2.0V로, 감소하는 μ 범위는 0.191~0.04cm² 입니다. /대. 또한 현장 어닐링 온도가 120°C로 증가하면 상황이 더욱 악화되고 I _켜기 12.1~0.17μA 및 μ 0.04~0.0005cm² /Vs를 얻었습니다. 그 결과, 장치 C와 D의 성능은 열처리 후 장치 A보다 훨씬 나빴습니다.

다른 어닐링 처리로 스프레이 코팅 방법으로 제조된 OFET의 대표적인 전달 및 출력 플롯이 그림 2에 나와 있습니다. 장치 B가 임계값 전압이 거의 0에 가깝고 임계값 이하의 스윙이 좁은 것을 포함하여 가장 높은 전기적 성능을 나타내는 것을 분명히 볼 수 있습니다. . 그러나 in situ annealing 처리에서 기판 온도가 증가함에 따라 전기적 성능의 감쇠가 나타났다. subthreshold 스윙은 in situ annealing 온도와 함께 증가하는 분명한 경향을 나타내었고, 이는 유전체와 반도체 층 사이의 계면에서 상대적으로 높은 트랩 밀도를 의미합니다[27].

TIPS-펜타센 필름의 표면 형태를 조사하기 위해 광학 현미경을 사용했습니다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 TIPS-pentacene 박막의 다양한 형태와 형태를 볼 수 있으며 광학현미경에서 다양한 결정립 크기를 볼 수 있다. 큰 결정립이 Fig. 3a, b에 나타나 있으며, 60°C in situ annealing 처리된 TIPS-pentacene 필름이 훨씬 더 균일하고 채널 방향을 따라 가늘고 긴 결정립이 성장하는 것으로 나타났습니다. 이것은 TIPS-펜타센 분자의 더 나은 구성을 나타내며, 결과적으로 OFET 장치의 더 나은 전기적 성능을 나타냅니다. 그러나 템플릿 온도가 90 또는 120°C로 상승하면 그림 3c, d와 같이 장치 C와 D에 작은 입자를 가진 원형 형태가 나타나기 시작합니다. 이전 연구에 따르면, TIPS-펜타센 필름 형태의 변경은 OFET 장치의 전기적 특성의 변화로 이어질 것입니다[28,29,30].

<사진>

스프레이 코팅된 TIPS-펜타센 층의 광학 현미경 이미지. 아 실온의 기판 온도에 이어 120°C에서 20분 동안 사후 어닐링, b –d 각각 60, 90, 120°C의 제자리 어닐링 온도

또한 AFM을 사용하여 스프레이 코팅된 TIPS-펜타센 필름의 형태를 특성화했습니다. 도 4b에 도시된 바와 같이, PMMA 유전체 상에 잘 정돈된 TIPS-펜타센 결정립이 형성되는 반면, 상이한 형태를 갖는 불규칙한 결정립이 도 4a에 도시되어 있으며, 이는 도 3a 및 b의 광학 현미경 이미지와 잘 일치한다. 흥미롭게도, 기판 온도가 60°C를 초과하면 TIPS-펜타센 필름 형태의 상당한 변화가 관찰될 수 있습니다. 그림 4c, d는 작은 TIPS-펜타센 입자의 밀도가 큰 전형적인 분무된 둥근 형태를 나타내며, 이러한 입자는 삽입물에 표시된 것처럼 다양한 크기의 많은 섬 클러스터로 구성된 미세결정질 형태를 나타냅니다. 또한 어닐링 온도를 120°C로 추가로 증가시키면 훨씬 더 작은 결정립 배열이 형성되어 결정립 경계가 많은 희박한 분포가 형성되어 캐리어 수송에 부정적인 영향을 미칩니다[16, 31, 32]. 이러한 결과는 어닐링 온도가 성막 특성에 큰 영향을 미쳐 막 형태에 상당한 차이를 유발할 수 있음을 나타냅니다.

<그림>

스프레이 코팅된 TIPS-펜타센 층의 AFM 높이 및 3D 이미지. 아 RT의 기판 온도(120°C에서 20분 후 어닐링). ㄴ –d 제자리 어닐링 온도는 각각 60, 90, 120°C입니다. 삽입 :고배율 AFM; 인서트의 스캔 크기 막대는 1μm

입니다.

보시다시피, 기질 온도의 변화는 다른 형태와 입자 크기로 이어집니다. 그리고 소자 B의 가장 큰 형태는 적절한 어닐링 온도뿐만 아니라 분자 자기 조직화에 유리한 조건에 기인할 수 있습니다. OFET가 상대적으로 낮은 기판 온도에서 준비되면 용매의 부드러운 증발이 유지되어 용매 증발 속도가 감소하고 연속적인 액적이 필름을 젖게 유지합니다. 실제로, 기판 온도의 이러한 변조는 용매 증발 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 낮은 어닐링 온도는 TIPS-펜타센 결정이 정렬된 분자와 함께 천천히 성장하도록 하는 반면[33], 높은 기판 온도는 용매의 상대적으로 느린 건조 과정 없이 빠른 응고에 기여합니다[34]. 따라서 분무 공정 동안 분자 자가 조직화에 더 긴 시간이 얻어지며, 이는 더 높은 수준의 상 분리와 더 큰 도메인 크기를 초래합니다[33, 35, 36]. 그 결과 가늘고 긴 Grain이 형성되고 채널 영역에서 Carrier 수송을 위한 Bridge는 110.8μm 이상의 긴 Grain을 통해 건설될 수 있습니다[37].

스프레이 코팅된 TIPS-펜타센 필름의 분자 배향 및 패킹을 추가로 조사하기 위해 XRD가 도입되었습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 개별 트레이스는 반사(00l ) TIPS-펜타센[38]의 밀도이며, 밀도는 기판 온도가 TIPS-펜타센 분자의 결정성에 극적인 영향을 미칠 것임을 나타냅니다[39]. 후-어닐링 처리된 장치 A와 비교하여 장치 B가 가장 강한 피크 강도를 가지며 이는 TIPS-펜타센 필름의 현미경 사진과 일치하며, 이는 60°C의 제자리 어닐링 처리로 증착된 TIPS-펜타센이 최고의 결정도를 산출함을 나타냅니다. TIPS-펜타센. 기판 온도가 90°C 및 120°C로 증가하면 열등한 차수의 TIPS-펜타센이 형성되어 장치 성능이 저하됩니다[40].

<그림>

포스트 어닐링 및 인시츄 어닐링 처리가 모두 적용된 스프레이 코팅된 TIPS-펜타센 필름의 정규화된 XRD 스펙트럼

결론

요약하면, TIPS-pentacene을 in situ annealing 처리하여 스프레이 코팅하여 OFET를 제작하고 테스트했으며 얻은 필름의 표면 형태와 결정화를 조사했습니다. 결과는 TIPS-펜타센 기반 OFET의 전기적 성능이 활성층의 처리 조건과 강한 상관관계가 있음을 보여줍니다. 60°C의 템플릿 온도에서 현장 어닐링 방법으로 제작된 OFET의 이동도는 0.056에서 0.191cm² 로 증가합니다. /대. 성능 향상은 더 높은 결정화 및 정렬된 입자에 기인합니다. 이 스프레이 코팅 방식의 in situ 어닐링 처리는 고성능 OFET의 제조에 효과적인 방법일 뿐만 아니라 저비용 제조 및 응용 프로그램 다용도에 대한 높은 잠재력이 될 것으로 기대됩니다.

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