Ανάπτυξη υβριδικών (οργανικών/ανόργανων) τρανζίστορ με την τεχνική απευθείας εγγραφής με laser
Authors: Μακρύγιαννη Μαρίνα 
Published: September 2021

Η χρήση οργανικών υλικών σε ηλεκτρονικές διατάξεις παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον στις τεχνολογίες νέας γενιάς, γιατί συνδέεται με φθηνότερες παραγωγικές διαδικασίες, και παρέχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν εύκαμπτα υποστρώματα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε χρήση της τεχνικής απευθείας εγγραφής με laser (Laser Induced Forward Transfer - LIFT) για την εκτύπωση λεπτών υμενίων οργανικών ημιαγωγών καθώς και ανόργανων υλικών, σε στερεή ή υγρή φάση με τελικό στόχο την ανάπτυξη οργανικών τρανζίστορ.Κατά την τεχνική LIFT μεταφέρεται μέρος ενός υλικού από ένα υπόστρωμα (δότη) σε ένα άλλο (αποδέκτη). Ειδικότερα, ο δότης ακτινοβολείται από ένα παλμό laser με αποτέλεσμα να δημιουργεί την ώθηση μέρους του υλικού προς τον αποδέκτη. Με αυτή τη τεχνική, σχηματίζονται δομές σε στερεά φάση με διαστάσεις που καθορίζονται από τη διάμετρο του παλμού του laser στον δότη.Επιπλέον, η τεχνική είναι εφαρμόσιμη σε υγρά χαμηλού ιξώδους όσο και σε υγρά πολύ μεγάλου ιξώδους (> 100 Pa.s), γνωστά και ως πάστες. Συνεπώς, μέσω της τεχνικής LIFT υγρής φάσης είναι δυνατή η εκτύπωση σύνθετων δομών από ένα μεγάλο εύρος διαλυμάτων και επιπλέον ελαχιστοποιείται η χρήση χημικών και τοξικών διαλυτών με αποτέλεσμα τη μείωση περιβαλλοντικών επιπτώσεων και του κόστους κατασκευής. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες των μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων (metallic nanoparticle inks) είναι ότι τα μεταλλικά νανοσωματίδια εμφανίζουν δραστική μείωση στο σημείο τήξης τους και η ικανότητα τους αυτή προσφέρει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές με εύκαμπτα υποστρώματα.Τα θέματα που εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία μπορούν να χωριστούν σε δύο ενότητες.Η πρώτη ενότητα αφορούσε στην χρήση της τεχνικής LIFT στερεάς φάσης με σκοπό την επιλεκτική εναπόθεση οργανικών ημιαγώγιμων υλικών πάνω σε υβριδικά υποστρώματα (μεταλλικές επαφές/οξειδίο του πυριτίου (SiO2) πάχους 100 ή 300 nm/ πυριτίο (Si) με προσμίξεις) για την κατασκευή οργανικών τρανζίστορ (OTFT) κάτω επαφών και κάτω πύλης. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκε η εκτύπωση μικροδομών ημιαγώγιμου πολυμερικού υλικού: i) regioregular poly(3-hexylthiophene) γνωστό ως P3HT, ii) Poly(3,3'''-didodecyl quarter thiophene) γνωστό ως PQT-12, iii) Poly(2,5-bis(3-hexadecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene) γνωστό ως PBTTT με τελικό στόχο να παρασκευασθούν λειτουργικά υβριδικά OTFT (οργανικά τρανζίστορ λεπτών υμενίων) όπου το εκτυπωμένο πολυμερές με laser θα λειτουργεί ως ενεργό κανάλι. Παρατηρήθηκε ότι χρησιμοποιώντας τη τεχνική LIFT δεν προκαλείται κάποια καταστροφή στο υπόστρωμα ή στα ηλεκτρόδια. Τα λειτουργικά τρανζίστορ που παρασκευάσθηκαν έφτασαν τιμές ευκινησίας έως 2.6x10-2 cm2/Vs.Ακόμα μελετήθηκε η εκτύπωση πολυστρωματικών δομών που αποτελούνταν από μέταλλο/οργανικό διηλεκτρικό/οργανικό ημιαγωγό για την κατασκευή οργανικών τρανζίστορ πάνω πύλης. Στη συνέχεια, ακολούθησε μορφολογικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των εκτυπωμένων διατάξεων για τον έλεγχο και επιβεβαίωση της λειτουργικότητας τους.Η δεύτερη ενότητα της διατριβής είχε ως αντικείμενο τη μελέτη εκτύπωσης μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων (Χαλκού), μέσω της τεχνικής LIFT υγρής φάσης, πάνω σε άκαμπτα υποστρώματα SiO2/Si, καθώς και σε εύκαμπτα υποστρώματα με σκοπό τη δημιουργία ηλεκτροδίων πηγής και υποδοχής (Source/Drain) των οργανικών τρανζίστορ. Ειδικότερα, η διαδικασία μεταφοράς/εκτύπωσης με laser ενός υγρού περιλαμβάνει μια σειρά από ρευστομηχανικά φαινόμενα που περιγράφουν και επεξηγούν τη συμπεριφορά (εξέλιξη) του πίδακα υγρού και κατ’ επέκταση τις συνθήκες της εκτύπωσης. Για τη μελέτη του μηχανισμού σχεδιάστηκαν πειράματα πλάγιας χρονοεξαρτώμενης απεικόνισης με στόχο την εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων για την ελεγχόμενη εκτύπωση τέτοιων μελανιών. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διακρίνονται τρεις κύριες κατηγορίες κατά την εκτύπωση: i) της μη μεταφοράς στο υπόστρωμα αποδέκτη, ii) της εντοπισμένης εκτύπωσης σε σταγόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας, iii) της εκτύπωσης ακανόνιστων δομών.Εν συνεχεία, εξετάστηκε η διαδικασία εκτύπωσης υγρών γραμμών μελανιών χαλκού με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διακριτικής ικανότητας εκτύπωσης. Τέλος, στις εκτυπωμένες γραμμές ακολούθησε διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης για τη δημιουργία αγώγιμων δομών και η χαμηλότερη ειδική αντίσταση που μετρήθηκε ήταν περίπου 40 φορές της τιμής που δίνει ο προμηθευτής.