Ολιγομερικά κρυσταλλικά υλικά για εφαρμογές σε οργανικές διατάξεις τρανζίστορ επίδρασης πεδίου
Authors: Χαϊδόγιαννος Γεώργιος 
Published: August 2021

Ο σκοπός της διδακτορικής αυτής διατριβής είναι η παρασκευή τρανζίστορ επίδρασης πεδίου με οργανικά υλικά ως ενεργό κανάλι, ο έλεγχός τους και η σύγκρισή τους με άλλες παρόμοιες διατάξεις που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία, καθώς και με τα τρανζίστορ πυριτίου. Εξετάζονται, λοιπόν, διάφορες ομάδες οργανικών ενώσεων με απώτερο σκοπό τη χρήση τους σαν ενεργά στοιχεία μικροηλεκτρονικών διατάξεων. Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται μία γενική επισκόπηση των εφαρμογών των μοριακών υλικών στη Μικροηλεκτρονική και ειδικότερα των συζυγών συστημάτων. Τα συζυγή συστήματα αναμένεται να έχουν εφαρμογές σε ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως επίπεδες οθόνες μεγάλων διαστάσεων, ταμπέλες σήμανσης προϊόντων ή ηλεκτρονικό χαρτί. Στις εφαρμογές αυτές υπάρχει δυσκολία χρήσης της συμβατικής τεχνολογίας πυριτίου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις εφαρμογές των οργανικών τρανζίστορ (OFET), που αποτελούν και την πλέον εμπορική εφαρμογή. Ακολουθεί μία περιγραφή των οργανικών ενώσεων που εξετάζονται, δηλαδή των φθαλοκυανινών μετάλλων (metal phthalocyanines, MePCs) και των ολίγο φαινυλενοβινυλενίων (oligophenylenevinylenes, OPVs). Όπως μαρτυρά η ιστορική εξέλιξή τους, η χρήση τους αυξάνεται συνεχώς, κυρίως στους τομείς της αναλυτικής χημείας και τελευταία της Μικροηλεκτρονικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται μία περιγραφή του τρόπου λειτουργίας των διατάξεων OFET και των μηχανισμών αγωγιμότητας που τον διέπουν. Επιπλέον, εξετάζεται ο τρόπος επίδρασης του οξυγόνου στις φθαλοκυανίνες, όπως αναπτύχθηκε από συνεργαζόμενη με εμάς ομάδα στην Τσεχία. Στο τρίτο κεφάλαιο εκτίθενται τα αποτελέσματα, με την αντίστοιχη ανάλυση, των κατηγοριών των αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων (MePC, Me=Ni ή Co) και των σουλφονικών αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων με νάτριο (metal phthalocyanine sulfonate sodium salts - MePCSₓ, Me=Ni, Co, Cu, Zn ή Al) ως υποψήφια υλικά για ρ-τύπου κανάλια στα οργανικά τρανζίστορ. Αμφότερα παρουσιάζουν το προσόν της χημικής και θερμικής σταθερότητας με ικανοποιητικές τιμές ευκινησίας πεδίου για τις χρήσεις τις οποίες προορίζονται. Οι MePCs παρουσιάζουν ενδιαφέρον για ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως οι χημικοί αισθητήρες και τα ηλιακά κύτταρα, ενώ οι MePCSₓs επιλέχθηκαν λόγω της ενισχυμένης υδατοδιαλυτότητάς τους έναντι των μη σουλφονικών αντιστοίχων τους. Οι MePCSₓs αποτελούν καινοτόμα υλικά, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή OFET με πολύ λιγότερη προσπάθεια. Οι διαδικασίες είναι πολύ απλούστερες και οι αντίστοιχες τιμές ευκινησίας πολύ υψηλότερες. Στην περίπτωση αυτή, το ενεργό στρώμα προετοιμάζεται με περιστροφή (spin-coating) από υδατικά διαλύματα σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ για τις MePCs χρησιμοποιείται εξάχνωση του υλικού σε σύστημα υπερυψηλού κενού. Στη μελέτη των διατάξεων με οργανικό κανάλι φθαλοκυανίνες, συνεισέφεραν η ομάδα του εργαστηρίου Επιστήμης Επιφανειών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Μακρομοριακής Χημείας της Ακαδημίας Επιστημών της Τσεχίας. Η σύγκριση μεταξύ των υπό μελέτη μορίων είναι βασισμένη στην ηλεκτρική συμπεριφορά τους ανάλογα με α) τη μέθοδο απόθεσης, β) τον τύπο του κεντρικού μεταλλικού ιόντος και γ) το είδος των υποκαταστατών. Ο στόχος είναι να επιλεχτεί ο τύπος υλικού και η διαδικασία παρασκευής του φιλμ που θα παρέχει το τρανζίστορ με τη βέλτιστη απόδοση. Τα συμπεράσματα αναφέρονται στο τέταρτο κεφάλαιο, ακολουθούμενα από τις προοπτικές της διατριβής. Τέλος, αναπτύσσονται εν τάχει στο πρώτο παράρτημα τα τρανζίστορ με ενεργό κανάλι ολίγο φαινυλενοβινυλένια (OPVs), τα οποία, παρά τη μακροχρόνια και κοπιώδη μελέτη, δεν απέδωσαν αποτελέσματα που να συναγωνίζονται την τρέχουσα τεχνολογία. Για τη μελέτη τους υπήρξε συνεργασία με το Ινστιτούτο Φυσικοχημείας του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. "Δημόκριτος". Στο δεύτερο παράρτημα αναφέρονται λίγα για τη μέθοδο ηλεκτρικού χαρακτηρισμού, που αποτέλεσε τον κύριο μηχανισμό ελέγχου τον διατάξεων.