Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός οργανικών υλικών για εφαρμογή σε οργανικά ηλεκτρονικά
Authors: Πιτσαλίδης Χαράλαμπος 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό λεπτών υμενίων οργανικών και ανόργανων υλικών για την κατασκευή OFETs. H μελέτη που πραγματοποιήθηκε, εστιάστηκε τόσο στην διερεύνηση νέων τεχνικών εναπόθεσης του ενεργού στρώματος του ημιαγωγού όσο και στη βελτίωση των μορφολογικών και δομικών χαρακτηριστικών των παραγόμενων υμενίων. Ως ενεργά υλικά, εφαρμόστηκαν κατά κύριο λόγο διαλυτοί οργανικοί ημιαγωγοί p-τύπου όπως το TIPS-pentacene (TIPS-PEN) και το diF-TES-anthradithiophene (diF-TES-ADT), καθώς και n-τύπου όπως ένα παράγωγο του naphthalene-bisimide (NBI-4-n-BuPh). Στα πρωταρχικά στάδια της μελέτης αυτής εξετάστηκε η μεθοδολογία ανάπτυξης και τροποποίησης των κρίσιμων στρωμάτων προκειμένου να καθοριστεί το πρωτόκολλο κατασκευής διατάξεων OFETs. Στη συνέχεια μελετήθηκε η κατασκευή OFETs βασισμένων στο TIPS-PEN, χρησιμοποιώντας μια μέθοδο ανάπτυξης ευρείας κλίμακας, αυτή της επίστρωσης λεπίδας (blade-coating). Για την εναπόθεση του ενεργού στρώματος, δοκιμάστηκαν δυο διαφορετικές προσεγγίσεις, οι οποίες στηρίζονται στην χρήση πολυμερικών διηλεκτρικών υλικών, προκειμένου να βελτιωθεί η ρεολογική συμπεριφορά του διαλύματος του ημιαγωγού κατά την ανάπτυξη του. Στη πρώτη περίπτωση, η χρήση μιγμάτων TIPS-PEN και πολυμερούς (PS ή PMMA) σε ισόποση αναλογία, οδήγησε στον σχηματισμό ποιοτικότερων κρυσταλλικών δομών, γεγονός που επιβεβαιώθηκε από τις εξαιρετικές τιμές ευκινησίας φορέων φορτίου έως 0.47 cm2/Vs. Στη δεύτερη περίπτωση, η χρήση των παραπάνω πολυμερών ως ενδιάμεσα βοηθητικά στρώματα μεταξύ του ημιαγωγού και του μονωτικού στρώματος, βελτίωσε σημαντικά την πρόσφυση του ημιαγωγού στον μονωτικό στρώμα του οξειδίου. Αυτό, σε συνδυασμό με τη χρήση μιας καινοτόμου μεθόδου επιλεκτικής κρυσταλλοποίησης (“μη-ισότροπη εξάτμιση διαλύτη”) οδήγησε στην επίτευξη επιθυμητού ομοαξονικού κρυσταλλικού προσανατολισμού και υψηλής ομοιομορφίας σε μακροσκοπική κλίμακα. Οι διατάξεις OFETs εμφάνισαν υψηλές τιμές ευκινησίας φορέων φορτίου (0.52 cm2/Vs), χαμηλή τάση κατωφλίου και λόγους ρευμάτων >104 καθώς και ενισχυμένη σταθερότητά τόσο σε ηλεκτρική καταπόνηση, όσο και σε παρατεταμένη παραμονή σε συνθήκες ατμόσφαιρας. Ακολούθως, εξετάστηκε η εφαρμογή της μεθόδου ηλεκτροστατικής εναπόθεσης για την κατασκευή OFETs. Ειδικότερα, μελετήθηκαν δυο διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας της τεχνικής, αυτή του ηλεκτροστατικού ψεκασμού καθώς και αυτή της ηλεκτροστατικής ινοποίησης. Κατά τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό, οι βελτιστοποιημένες παράμετροι ανάπτυξης των παραγόμενων σταγονιδίων συντέλεσαν στην δημιουργία ποιοτικών κρυσταλλικών υμενίων επάνω σε διαφορετικά υποστρώματα. Η λειτουργία της ηλεκτροστατικής ινοποίησης χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία ενός βοηθητικού πλέγματος πολυμερικών ινών (PVA), με στόχο τον έλεγχο της κρυσταλλικής μορφολογίας των οργανικών ημιαγωγών. Η βελτίωση των δομικών και μορφολογικών χαρακτηριστικών, επιβεβαιώθηκε από τη μέγιστη τιμή ευκινησίας που επιτεύχθηκε (0.11 cm2/Vs) και αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία για TIPS-PEN OFETs από spin-coating. Τέλος, κατασκευάστηκαν n-τύπου OFETs υψηλής απόδοσης και σταθερότητας, βασισμένα στο NBI-4-n-BuPh. Για την ανάπτυξη του ενεργού στρώματος εφαρμόστηκε η τεχνική zone-casting. Ο συνδυασμός της γεωμετρίας bottom-contact/top-gate, της χρήσης του Parylene-C ως μονωτικού στρώματος και της υψηλής ποιότητας κρυστάλλων που προέκυψαν από την τεχνική ανάπτυξης, οδήγησε σε σταθερές διατάξεις n-τύπου με ευκινησίες ηλεκτρονίων από τις υψηλότερες που έχουν αναφερθεί. Συμπερασματικά, μέσω της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε η κατασκευή λειτουργικών διατάξεων OFETs υψηλής απόδοσης με χρήση υγρών τεχνικών, οι οποίες προσαρμόστηκαν κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη κρυσταλλική μορφολογία του ημιαγώγιμου στρώματος. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αναμένεται να δώσουν σημαντική ώθηση για περαιτέρω διερεύνηση συναφών οργανικών ημιαγώγιμων ενώσεων καθώς και διαδικασιών ανάπτυξης τους.