Auswirkung einer In-situ-Annealing-Behandlung auf die Mobilität und Morphologie von TIPS-Pentacen-basierten organischen Feldeffekttransistoren

Hintergrund

Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) haben als vielversprechender Kandidat für ihre praktischen Anwendungen in flexiblen elektronischen Papieren, Flachbildschirmen, Radiofrequenz-Identifikations-(RFID-)Tags und Logikzirkus große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3,4, 5,6,7]. Bisher haben mehrere Strategien wie Rakelbeschichtung [6, 8, 9], Tintenstrahldruck [10, 11], Tiefdruck [12, 13] und die neu entstandenen Sprühtechnologien [14, 15, 16] haben sich als effiziente Methoden zur Herstellung elektronischer Geräte erwiesen. Unter diesen Verfahren wurde die Spritzbeschichtung aufgrund ihres einzigartigen Vorteils bei der Herstellung intensiv untersucht. Durch das Sprühbeschichtungsverfahren können verschiedene Materialien mit geringer Löslichkeit in weniger giftigen Lösungsmitteln aufgrund der Anforderung einer geringen Lösungskonzentration aufgebracht werden [17]. Darüber hinaus ermöglicht die Sprühbeschichtung eine höhere Produktionsgeschwindigkeit und eine bessere Kompatibilität mit verschiedenen Substraten [18], und die unterschiedlichen Folienformen können durch Lochmasken strukturiert werden [19]. Darüber hinaus kann der Sprühbeschichtungsprozess im Vergleich zu anderen Verfahren wie Schleuderguss, Rakelbeschichtung und Tiefdruck einen kontinuierlichen Film erzeugen, ohne die untere Schicht des Geräts zu beschädigen:einfach den Lösungsmittelgehalt, die Tröpfchengröße und die Verfestigung kontrollieren Dynamik.

In den vorangegangenen Arbeiten wurden einige neuartige Herstellungsverfahren angewendet, um Hochleistungs-OFETs durch Sprühbeschichtung zu erzielen. Chim et al. untersuchten die Auswirkungen der Tröpfchengröße auf die Leistung von OFETs, die mit sprühgedruckten organischen halbleitenden aktiven Schichten hergestellt wurden [16]. Parket al. führten eine intensive Untersuchung des Lösungsmittelgehalts durch eine lösungsmittelunterstützte Nachbehandlungsmethode durch [20]. Inzwischen hat sich die Substratheizung als wirksame Methode zur Erhöhung der Kristallinität von Halbleiterfilmen erwiesen [21, 22]. Dafür wurden mehrere Forschungsarbeiten entwickelt. Sarclettiet al. untersuchten den gegenseitigen Einfluss von Oberflächenenergie und Substrattemperatur auf die Mobilität in organischen Halbleitern [23]. Padma et al. untersuchten den Einfluss der Substrattemperatur auf die Wachstumsmodi von Kupferphthalocyanin-Dünnfilmen an der Dielektrikum/Halbleiter-Grenzfläche [24]. Anschließend haben Mikayelyan et al. untersuchten den Einfluss der Substrattemperatur auf die Struktur und Morphologie der vakuumverdampften Filme [25]. Auch der Einfluss des thermischen Glühens auf die Rissentwicklung wurde untersucht [26]. Obwohl sich eine große Anzahl von Studien auf die Verbesserung der intrinsischen elektrischen Eigenschaften von Vorrichtungsherstellungstechniken konzentriert hat, hat der Einfluss der In-situ-Glühbehandlung auf das Forschungsgebiet der sprühbeschichteten OFETs nicht viel Aufmerksamkeit gefunden. Inzwischen erfordert der konventionelle Lösungsprozess von OFETs in der Regel Produktionsunterbrechungen und Einbrennbehandlungen sowie einen zeitaufwändigen Prozess. Daher ist die Entwicklung einer neuartigen Glühprozesstechnik ein wichtiger Schritt, um das volle Potenzial des Spritzverfahrens auszuschöpfen.

In dieser Studie haben wir eine einfache in-situ-Glühbehandlung bei der Herstellung von Hochleistungs-OFETs eingeführt, und verschiedene Substrattemperaturen wurden bei der in-situ-Glühbehandlung angewendet. Mit der In-situ-Glühbehandlung bei 60 °C wurde die Mobilität des OFET-Geräts von 0,056 auf 0,191 cm ² . deutlich verbessert /Vs, was hauptsächlich der verbesserten Kristallisation und geordneten 6,13-Bis(triisopropyl-silylethinyl)-Pentacen (TIPS-Pentacen)-Molekülen zugeschrieben wurde. Um den Mechanismus dieser Leistungssteigerung aufzuklären, wurden optische Mikroskope, Rasterkraftmikroskope (AFM) und Röntgenbeugung (XRD) verwendet, um die Morphologie und Kristallisation der TIPS-Pentacenfilme zu analysieren. Unsere Arbeit zeigt, dass mit einer einfachen in-situ-Glühbehandlung leistungsstarke OFETs mit einem effizienten Herstellungsprozess realisiert werden können, indem die Bedingungen des in-situ-Glühverfahrens sorgfältig kontrolliert werden.

Methoden

Die Vorrichtungsherstellungsvorrichtung ist in Fig. 1(a) gezeigt. Die chemischen Strukturen von Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und 6,13-Bis(triisopropylsilylethinyl)pentacen (TIPS-pentacen) sind in Abb. 1(b) bzw. (c) gezeigt. Die Konfiguration von OFETs mit PMMA-Dielektrikum mit unterem Gate-Kontakt von oben ist in Fig. 1(d) dargestellt. Die mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Gläser wurden als Substrate und Gate-Elektroden verwendet. Die OFETs wurden nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Zuerst wurden die ITO-Gläser, die auf einem Halter aus Polytetrafluorethylen (PTFE) platziert waren, in Reinigungsmittel, Aceton, entionisiertem Wasser und Isopropylalkohol jeweils 15 Minuten lang ultraschallgereinigt. PMMA wurde in Anisol mit einer Konzentration von 100 mg/ml gelöst. Dann wurde ein 520-nm-PMMA-Film, der als Gate-Dielektrikum fungierte, auf die Substrate schleuderbeschichtet und bei 150 °C für 1 h in Luft gebrannt, um die Lösungsmittelrückstände zu entfernen. Drittens wurde die 30-nm-TIPS-Pentacen-Aktivschicht über einen Sprühbeschichtungsprozess mit in-situ-Glühbehandlung auf Substrate auf einer Heizplatte abgeschieden, und die Konzentration der TIPS-Pentacen-Lösung betrug 3 mg/ml in Dichlorbenzol. Während unserer Experimente betrug die Sprühbeschichtungsgeschwindigkeit 20 μL/s und die Höhe (von der Airbrush zum Substrat) betrug 12 cm, und alle Experimente wurden bei Raumtemperatur (20 °C) durchgeführt. Schließlich wurde ein 50 nm dickes Gold (Au) als Source- und Drain-Elektrode auf dem TIPS-Pentacen-Film durch eine Schattenmaske thermisch abgeschieden. Die Dicke des TIPS-Pentacen-Films wurde durch einen Stufenprofiler charakterisiert. Die reine PMMA-Schicht und die PMMA/TIPS-Pentacen-Schicht wurden getrennt gemessen und die Dicke des TIPS-Pentacen-Films kann durch Subtraktion berechnet werden. Das Breiten-/Längenverhältnis des Gerätekanals beträgt 100 (L = 100 μm, W = 1 cm). Die elektrischen Eigenschaften aller Geräte wurden mit einem Keithley 4200 Source Meter (Cleveland, OH, USA) in Luftatmosphäre gemessen. Die Feldeffektmobilität (μ ) wurde im Sättigungsbereich aus der höchsten Steigung von |I . extrahiert _DS | ^1/2 vs. V _GS Plots mithilfe der folgenden Gleichung:

a Schematische Darstellung der OFET-Herstellung durch Sprühbeschichtung. b , c Molekülstrukturen von PMMA und TIPS-Pentacen und d Gerätearchitektur des OFET, die in dieser Studie verwendet wurde

wo ich _DS der Drain-Source-Strom ist und L (100 μm) und W (1 cm) sind die Kanallänge bzw. -breite. C _ich ist die Kapazität pro Einheit der dielektrischen Schicht und V _GS und V _TH sind die Gatespannung bzw. die Schwellenspannung. Die Oberflächenmorphologien des TIPS-Pentacens wurden mit einem Lichtmikroskop (U-MSSP4, OLYMPUS) und Rasterkraftmikroskop (AFM) (MFP-3D-BIO, Asylum Research) im Tapping-Modus charakterisiert und die Strukturcharakterisierung erfolgte durch Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD, TD-3500, Dandong, China) mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV und einem angelegten Strom von 20 mA.

Ergebnisse und Diskussion

Die OFETs, die auf einer 20-minütigen Temperbehandlung bei 120 °C basieren, wurden als Gerät A hergestellt, und diejenigen, die auf einer in-situ-Temperbehandlung mit den Temperaturen von 60, 90 und 120 °C basieren, wurden als Geräte B, C und D . hergestellt , bzw. Die typische Übertragungskennlinie, getestet bei einer Source-Drain-Spannung (V _DS ) von -40 V und die Gate-Spannung (V _GS ) von 20 bis −40 V, getestet und in Abb. 2a dargestellt. Die Ausgangseigenschaften wurden unter einer V . getestet _DS von -40 V und einem V _GS von 0 bis -40 V in einem Schritt von -10 V, wie in Abb. 2b–e gezeigt. Mehrere grundlegende Parameter, einschließlich Sättigungsstrom (I _an ), Feldeffektmobilität (μ ), Schwellenspannung (V _T ), Schwung unter der Schwelle (SS) und Ein/Aus-Verhältnis (I _an /Ich _aus ), die zur Bewertung der Leistung von OFET verwendet werden könnten, sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

a Kurven der Geräte A–D übertragen. b –e Ausgangskurven der Geräte A, B, C bzw. D

Nicht unerwartet zeigten alle Bauelemente typische Transistoreigenschaften des p-Typs. Es ist deutlich zu erkennen, dass die In-situ-Annealing-Behandlung einen enormen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von OFETs hat. Insbesondere mit der In-situ-Glühbehandlung bei 60 °C wurde die elektrische Leistung von OFET erfolgreich verbessert, einschließlich einer positiven Verschiebung von V _TH (von −1,7 auf −0,9 V) und einem zunehmenden μ (von 0,056 bis 0,191 cm ² /Vs); die Mobilität von Gerät B ist fast viermal höher als die des nachgetemperten Geräts A. Wenn jedoch eine In-situ-Glühbehandlung bei 90 °C angewendet wird, kommt es zusammen mit der steigenden Substrattemperatur zu einer starken Verschlechterung der Geräteleistung, einschließlich einer Vorwärtsdrift von V _TH von −0,9 auf 2,0 V und einem abnehmenden μ lag zwischen 0,191 und 0,04 cm ² /vs. Wenn die In-situ-Glühtemperatur auf 120 °C ansteigt, werden die Dinge noch schlimmer und es kommt zu einer deutlichen Abnahme von I . _an von 12,1 bis 0,17 μA und μ von 0,04 bis 0,0005 cm ² /Vs wurde erhalten. Als Ergebnis war die Leistung der Geräte C und D viel schlechter als die des nachgetemperten Gerätes A.

Die repräsentativen Übertragungs- und Ausgabekurven der OFETs, die durch das Sprühbeschichtungsverfahren mit unterschiedlichen Glühbehandlungen hergestellt wurden, sind in Abb. 2 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass Gerät B die höchste elektrische Leistung zeigt, einschließlich Schwellenspannungen nahe Null und einem schmalen Unterschwellenhub . Mit der Erhöhung der Substrattemperatur bei der in-situ-Glühbehandlung wurde jedoch eine Abschwächung der elektrischen Leistung festgestellt. Der Swing unterhalb der Schwelle zeigte einen offensichtlichen Anstiegstrend zusammen mit der In-situ-Glühtemperatur, was eine relativ hohe Fallendichte an der Grenzfläche zwischen der Dielektrikums- und der Halbleiterschicht impliziert [27].

Um die Oberflächenmorphologie von TIPS-Pentacenfilmen zu untersuchen, wurde ein optisches Mikroskop verwendet. Wie in Fig. 3 dargestellt, wurden die verschiedenen Formen und Morphologien von TIPS-Pentacen-Filmen erhalten, und unterschiedliche Kristallkorngrößen können offensichtlich vom optischen Mikroskop gesehen werden. Große Kristallkörner sind in Abb. 3a, b dargestellt, und der TIPS-Pentacen-Film mit der In-situ-Glühbehandlung bei 60 °C ist viel gleichmäßiger, und es zeigt sich, dass schlanke und längliche Körner entlang der Richtung des Kanals wachsen. Dies weist auf eine bessere Organisation von TIPS-Pentacen-Molekülen hin, was zu einer besseren elektrischen Leistung des OFET-Geräts führt. Wenn die Templattemperatur jedoch auf 90 oder 120 °C ansteigt, beginnt in den Geräten C und D eine kreisförmige Morphologie mit kleinen Körnern zu erscheinen, wie in Abb. 3c, d gezeigt. Laut der vorherigen Studie würde die Veränderung der TIPS-Pentacen-Filmmorphologien zu einer Variation der elektrischen Eigenschaften von OFET-Bauelementen führen [28,29,30].

Optische Mikroskopaufnahmen einer sprühbeschichteten TIPS-Pentacenschicht. a Substrattemperatur von Raumtemperatur gefolgt von Nachtempern bei 120 °C für 20 Minuten, b –d In-situ-Glühtemperatur von 60, 90 bzw. 120 °C

Darüber hinaus wurde AFM eingesetzt, um die Morphologien von sprühbeschichteten TIPS-Pentacenfilmen zu charakterisieren. Wie in 4b dargestellt, werden wohlgeordnete TIPS-Pentacen-Körner auf PMMA-Dielektrikum gebildet, wohingegen unregelmäßige Kristallkörner mit unterschiedlichen Formen in 4a gezeigt sind, was gut mit den optischen Mikroskopbildern in 3a und b übereinstimmt. Interessanterweise können bei einer Substrattemperatur von über 60 °C signifikante Veränderungen in der Morphologie des TIPS-Pentacenfilms beobachtet werden. Fig. 4c, d zeigen eine typische gesprühte abgerundete Morphologie mit einer großen Dichte kleiner TIPS-Pentacen-Körner, und diese Körner weisen eine mikrokristalline Morphologie auf, die aus vielen Inselclustern mit unterschiedlichen Größen besteht, wie in den Einsätzen gezeigt. Darüber hinaus wird bei weiter steigender Glühtemperatur auf 120 °C eine viel kleinere Kornanordnung gebildet, was zu einer spärlichen Verteilung mit reichlich Korngrenzen führt, was sich negativ auf den Ladungsträgertransport auswirkt [16, 31, 32]. Solche Ergebnisse zeigen, dass die Glühtemperatur die Filmbildungseigenschaften stark beeinflussen kann, was zu signifikanten Unterschieden in der Filmmorphologie führt.

AFM-Höhe und 3D-Bilder der sprühbeschichteten TIPS-Pentacen-Schicht. a Substrattemperatur von RT (gefolgt von Nachtempern bei 120 °C 20 min). b –d In-situ-Glühtemperaturen von 60, 90 bzw. 120 °C. Einsätze :AFM mit hoher Vergrößerung; die Scan-Größenleiste der Beilagen beträgt 1 μm

Wie wir sehen können, führen die Änderungen der Substrattemperatur zu unterschiedlichen Morphologien und Korngrößen. Und die größte Morphologie von Gerät B kann nicht nur der richtigen Annealing-Temperatur, sondern auch der bevorzugten Bedingung für die molekulare Selbstorganisation zugeschrieben werden. Wenn die OFETs bei einer relativ niedrigen Substrattemperatur hergestellt werden, kann eine sanfte Verdampfung des Lösungsmittels aufrechterhalten werden, was zu einer verringerten Lösungsmittelverdampfungsrate führt und die aufeinanderfolgenden Tröpfchen halten den Film feucht. Tatsächlich beeinflusst diese Modulation der Substrattemperatur direkt die Lösungsmittelverdampfungsrate. Eine niedrigere Tempertemperatur ermöglicht ein langsames Wachstum von TIPS-Pentacen-Kristallen mit geordneten Molekülen [33], während eine höhere Substrattemperatur zu einer schnellen Erstarrung ohne einen relativ langsamen Trocknungsprozess des Lösungsmittels beiträgt [34]. Dadurch wurde eine längere Zeit für die molekulare Selbstorganisation während des Sprühprozesses erreicht, die für einen höheren Grad an Phasentrennung und eine größere Domänengröße verantwortlich ist [33, 35, 36]. In der Folge bilden sich schlanke und längliche Körner und durch diese langen Körner, die länger als 110,8 μm sind, können die Brücken für den Ladungsträgertransport im Kanalbereich gebaut werden [37].

Um die Molekülorientierung und Packung in den sprühbeschichteten TIPS-Pentacen-Filmen weiter zu untersuchen, wurde XRD eingeführt. Wie in Abb. 5 gezeigt, weisen die einzelnen Spuren eine Reihe von schmalen Bragg-Peaks auf, die den Reflexionen zuordenbar sind (00l ) von TIPS-Pentacen [38], und die Dichte zeigt, dass die Substrattemperatur die Kristallinität der TIPS-Pentacen-Moleküle dramatisch beeinflusst [39]. Im Vergleich zu Gerät A mit Nachglühbehandlung weist Gerät B die stärkste Peakintensität auf, was mit den Schliffbildern der TIPS-Pentacen-Filme übereinstimmt, was darauf hindeutet, dass das bei 60 °C in situ-Glühbehandlung abgeschiedene TIPS-Pentacen die beste Kristallinität liefert von TIPS-Pentacen. Wenn die Substrattemperatur auf 90 und 120 °C ansteigt, wurde eine untergeordnete Ordnung von TIPS-Pentacen gebildet, die für den Rückgang der Geräteleistung verantwortlich war [40].

Normalisierte XRD-Spektren von sprühbeschichteten TIPS-Pentacen-Filmen sowohl nach dem Tempern als auch in situ-Tempern

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir OFETs durch Sprühbeschichtung von TIPS-Pentacen mit in situ Temperbehandlung hergestellt und getestet, und die Oberflächenmorphologien und die Kristallisation des erhaltenen Films wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Leistung von TIPS-Pentacen-basierten OFETs eine starke Korrelation mit den Verarbeitungsbedingungen der aktiven Schicht aufweist. Bei einer Templattemperatur von 60 °C erhöht sich die Mobilität von OFETs, die durch In-situ-Annealing-Verfahren hergestellt wurden, von 0,056 auf 0,191 cm ² /vs. Die Leistungssteigerung wurde der höheren Kristallisation und den geordneten Körnern zugeschrieben. Es wird erwartet, dass diese in-situ-Glühbehandlung des Sprühbeschichtungsverfahrens ein effektiver Weg für die Herstellung von Hochleistungs-OFETs ist und ein hohes Potenzial für eine kostengünstige Herstellung und Anwendungsvielfalt bietet.