Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός οργανικών τρανζίστορ επίδρασης πεδίου βασισμένα στον ψεκασμό μιγμάτων ημιαγώγιμων μικρών μορίων και μονωτικών πολυμερών
Creators: name: Καϊμακάμης, Τρύφων Φιλίππου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Οργανικά Τρανζίστορ
Οργανικός Ημιαγωγός
Ψεκασμένα Μίγματα
Organic Transistors
Organic Semiconductor
Sprayed Blends

description: Η τεχνολογία ψεκασμού αναδύεται ως μία από τις πιο υποσχόμενες μεθόδους υγρής επεξεργασίας στον πεδίο των οργανικών ηλεκτρονικών, λόγω της απλοϊκότητάς της, της συμβατότητά της με την τεχνολογία μεγάλης κλίμακας R2R καθώς και της ικανότητάς της να εναποθέτει λειτουργικά οργανικά ημιαγώγιμα λεπτά υμένια τόσο σε έυκαμπτα (plastic) όσο και σε στερεά (rigid) υποστρώματα, προς την πραγματοποίηση μιας πληθώρας οργανικών ηλεκτρονικών διατάξεων και εφαρμογών (OLEDs, OSCs, OFETs, inverters, sensors…). Πρόσφατα διάφορες τεχνικές ψεκασμού έχουν αναπτυχθεί, όπως o συμβατικός ψεκασμός με αερογράφο, ο υπερηχητικός ψεκασμός καθώς και ο ηλεκτροψεκασμός προς την πραγματοποίηση υψηλής απόδοσης OFETs. Tα μικρά διαλυτά ακένια έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των επιστημονικών ομάδων, λόγω της διαλυτότητάς τους, της εύκολης υγρής επεξεργασίας τους, της υψηλής απόδοσής τους καθώς και της σταθερότητάς τους. Ωστόσο, η υψηλή κρυσταλλική ανισοτροπία τους και η μη πλήρης κάλυψη των υμενίων που προκύπτουν οδηγούν σε μεγάλες μεταβολές στην απόδοση των παραγόμενων OFETs. Όπως έχει δειχθεί στην βιβλιογραφία, ένα βιώσιμος τρόπος για την αντιμετώπιση αυτών των θεμάτων είναι η χρήση “ανάμεικτων” συστημάτων μικρών μορίων και μονωτικών πολυμερών. Σε μια τέτοια περίπτωση οι καλές ιδιότητες σχηματισμού υμενίου των πολυμερών μπορούν αποτελεσματικά να συνδυαστούν με τις υψηλές ευκινησίες των κρυσταλλικών ημιαγωγών και έτσι παρέχουν καλύτερο σχηματισμό υμενίου, καλύτερη ομοιομορφία απόδοσης και υψηλές τιμές ευκινησίας. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήσαμε την συμβατική τεχνολογία ψεκασμού για την εναπόθεση των “ανάμεικτων” διαλυμάτων που βασίζονται στον οργανικό ημιαγωγό TIPS-PEN και τα μονωτικά πολυμερή PS και PMMA. H χρησιμοποίηση τέτοιων “ανάμεικτων” διαλυμάτων όχι μόνο οδήγησε σε ένα βελτιωμένο σχηματισμό υγρού υμενίου σε ολόκληρη την περιοχή του υποστρώματος αλλά επίσης επέτρεψε τον έλεγχο της κρυσταλλικής συμπεριφοράς του TIPS-PEN. Συγκεκριμένα, εκτελέσαμε μια λεπτομερή μελέτη της επίδρασης της διαδικασίας ξήρανσης στην κρυσταλλική μορφολογία των TIPS-PEN/PS και TIPS-PEN/PMMA υμενίων. Επιπλέον το TIPS-PEN και το PS ή PMMΑ αναμείχθηκαν σε διαφορετικές αναλογίες ανάμειξης (0.8:0.2, 0.5:0.5, 0.2:0.8) ώστε να διερευνηθεί η επίδραση της ανάμειξης στα μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά των TIPS-PEN/PS και TIPS-PEN/PMMA μιγμάτων. Τα παραγόμενα ψεκασμένα OFETs έδειξαν εξαιρετικές I-V ηλεκτρικές χαρακτηριστικές με μέγιστη καταγεγραμμένη τιμή ευκινησίας &gt; 1.12 cm²/Vs, ON/OFF &gt; 10⁴, αμελητέα υστέρηση ρεύματος και χαμηλή τάση αναστροφής φορέων Von ≈ 0V. Αυτή η τιμή της ευκινησίας είναι η μεγαλύτερη που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα για ψεκασμένα OFETs με παρόμοια αρχιτεκτονική κατασκευής. Επιπλέον τα ψεκασμένα OFETs παρουσίασαν μακροπρόθεσμη περιβαλλοντική σταθερότητα με μικρή υποβάθμιση των παραμέτρων τους. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν την εφαρμοσιμότητα και δυναμικότητα της τεχνικής ψεκασμού για την κατασκευή αποδοτικών και σταθερών OFETs σε μεγάλη έκταση επεξεργασίας.
description: Spraying technology is emerging as one of the most promising solution processing methods in the field of organic electronics, due to its simplicity, compatibility with R2R processes, as well as its capability to deposit functional organic semiconducting thin films on both plastic and rigid substrates towards the realization of a variety of organic electronic devices and applications (OLEDs, OSCs, OFETs, inverters, sensors…). Recently, several spraying approaches, such as airbrush spraying, ultrasonic spraying, electrostatic spray deposition, have been developed for the realization of high performance OFET devices. Small soluble acenes have attracted the interest of the scientific groups due to their solubility in common organic solvents, their good solution processability, as well as their good electrical performance and stability. However the crystalline anisotropy of the organic semiconducting small molecules and the incomplete coverage of the resulting films may result in large variations in electrical performance of the produced OFETs. As has been proposed to the literature, a viable way to address these issues is the use of small molecule/insulating polymer blends. In such cases, the good film-forming properties of the polymers can be efficiently combined with the high charge carrier mobility values of the crystalline organic semiconductors and thus provide good wet film formation over a large area, better device performance consistency as well as enhanced mobility values. In this study, airbrush spraying technology was used for the deposition for the deposition of blended solutions of triisopropylsilylethynyl-pentacene (TIPS-PEN) and an insulating polymer such as polystyrene (PS) or polymethylmethacrylate (PMMA). The utilization of such blended solutions not only resulted in an improved wet film formation but also enabled the control of the crystallization behavior of TIPS-PEN. Particularly, we performed a detailed study on the effect of the drying process on the crystalline morphology of both TIPS-PEN/PS as well as TIPS-PEN/PMMA blend films. Furthermore, TIPS-PEN and PS or PMMA were mixed in different composition weight ratios (0.8:0.2, 0.5:0.5, 0.2:0.8), in order to investigate the blending effect on the morphological and structural characteristics of TIPS-PEN/PS and TIPS-PEN/PMMA blends. The fabricated air-brush sprayed OFETs showed excellent current-voltage electrical characteristics with a maximum recorded mobility value up to 1.12 cm²/Vs, negligible hysteresis, ON/OFF current ratios greater than 10⁴ and near-zero turn-on voltages Von ≈ 0V. These electrical performances represent a remarkable improvement compared to those obtained in previously reported sprayed OFETs with a similar device geometry. Additionally, the sprayed OFETs revealed long-term environmental stability with a little degradation in electrical performances. These results indicate the applicability and potentiality of the air-brush spraying technology for large-area processing for the fabrication of high performance and stable OFET devices.