Новости

Jun 03, 2023

Электростатически

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных докладов, номер статьи: 16009 (2022 г.) Цитировать эту статью

1779 Доступов

69 Альтметрика

Подробности о метриках

Органические тонкопленочные транзисторы (OTFT) являются многообещающими строительными блоками гибких электронных устройств, пригодных для печати. Подобно неорганическим полевым транзисторам, OTFT представляют собой гетероструктуры, состоящие из металлов, изоляторов и полупроводников, в которых необходимо точно спроектировать наноразмерные интерфейсы между различными компонентами. Однако в OTFT в качестве электродов используются благородные металлы, такие как золото, что является узким местом с точки зрения снижения затрат и низкой нагрузки на окружающую среду. В этом исследовании мы демонстрируем, что углеродные электроды на основе графита можно наносить и создавать рисунок непосредственно на органической монокристаллической тонкой пленке посредством электростатического распыления. Существующие OTFT продемонстрировали достаточно высокие полевые подвижности до 11 см2 В-1 с-1 для p-типа и 1,4 см2 В-1 с-1 для n-типа без значительного ухудшения во время процессов электростатического распыления. Мы также демонстрируем две важные вехи с точки зрения материаловедения: дополнительную схему, инвертор, состоящий из OTFT p- и n-типа, и работоспособный безметалловый OTFT, состоящий полностью из материалов на основе углерода. Эти результаты представляют собой ключевой шаг вперед в дальнейшем развитии печатных безметалловых интегральных схем.

Тонкопленочные транзисторы (TFT) являются одним из наиболее важных строительных блоков электронных схем1,2,3, где гетероинтерфейсы между различными компонентами, такими как металлы, полупроводники и изоляторы, играют преобладающую роль в их работе4,5,6,7. Процессы производства TFT требуют последовательного осаждения этих компонентов, что может затруднить надежное производство интегрированных устройств. В частности, для TFT с органическими полупроводниками (OSC), обрабатываемыми в растворе, разработка гетероинтерфейса может быть более вредной, поскольку она должна быть совместима с технологией печати8,9. Благодаря недавним разработкам в области химии10,11,12,13,14 и приборостроения15,16,17,18,19,20, связанных с печатной электроникой, производительность OTFT, обрабатываемых растворами, улучшается. В частности, для тонких монокристаллических пленок, состоящих из нескольких монослоев OSC, были достигнуты достаточно высокие полевые подвижности > 10 см2 В-1 с-1 с ​​превосходной стабильностью к окружающей среде15,16,17,21,22. Усовершенствованный производственный процесс позволяет производить большие кристаллические мембраны с площадью покрытия до 100 см2, что еще больше облегчает идеальное производство надежных интегральных схем16.

Как правило, OTFT требуют последовательного нанесения металлических электродов либо сверху, либо по периферии тонких пленок OSC. Золотые электроды часто используются в качестве электродов истока, стока и затвора. Причин этому несколько: (1) работа выхода золота (~ 5,0 эВ), вероятно, совпадает с краем валентной зоны (эквивалентна высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) большинства OSC p-типа), (2) высокая Золотые электроды высокого качества можно наносить методом вакуумного осаждения, и (3) золотые электроды обладают высокой устойчивостью к окружающей среде, даже если они имеют форму ультратонких пленок. В частности, известно, что качество интерфейса золото/OSC доминирует над свойствами инжекции носителей и сопротивлением межфазного контакта15,21. Хотя электроды на основе проводящих полимеров, обработанных в растворе, таких как PEDOT:PSS, изучались ранее23, исследования по замене золотых электродов ограничены, что является узким местом с точки зрения снижения затрат и низкой нагрузки на окружающую среду в печатной гибкой электронике.

В этом исследовании мы демонстрируем, что углерод на основе графита можно наносить и создавать рисунок непосредственно на монокристаллических тонких пленках OSC посредством электростатического распыления и работать в качестве эффективного контактного электрода для OTFT как p-, так и n-типа. OTFT демонстрируют отличные транзисторные характеристики с высокой полевой подвижностью до 11 см2 В-1 с-1 для p-типа и 1,4 см2 В-1 с-1 для OTFT n-типа, а также напряжением включения, близким к нулю. , незначительный гистерезис и коэффициент тока включения-выключения примерно 106, что сопоставимо с показателями OTFT с золотыми контактами14,16,24. Кроме того, при напряжении питания (Vdd) 5–15 В успешно работал комплементарный инвертор, состоящий из OTFT p- и n-типа, который является одной из первых органических комплементарных схем, работающих с угольными электродами на основе графита. Мы также использовали безметалловый OTFT, включающий только материалы на основе углерода, такие как OSC, углеродные контактные/затворные электроды, изоляторы из органических полимеров и подложки из органических полимеров. Результаты станут основой для дальнейшей разработки печатных, безметалловых, дополнительных интегральных схем.