Kendiliğinden biriken tek tabaka (SAM) tekniğinin organik alan etkili transistörlerin performansı üzerine etkisi
The effect of self assembled monolayer (SAM) technique on the performance of organic field effect transistors
Yazar: TUĞBAHAN YILMAZ ALIÇ
Danışman: PROF. DR. MAHMUT KUŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Benzenboronik asitler = Boronic acids ; Transistör = Transistor ; Yüzey modifikasyonu = Surface modification

Özet:
Organik yarıiletken malzemelerin mekanik özelliklerinin kararlı olması, elektronik, optiksel, fotoelektriksel ve manyetik özellikleri, büyük yüzeylere uygulanabilmesi, farklı metotlarla ve düşük sıcaklıklarda da elde edilebilmesi, üretim maliyetlerinin düşük olması teknolojik anlamda dikkat çekmesine yol açmıştır. Ayrıca organik yarıiletkenlerin moleküler yapısında değişiklikler yapılarak optik ve elektriksel özelliklerinin farklılaştırılabilmesi, esnek yüzeylere uygulanabilmesi, kolay sentezlenebilmeleri ve çözülebilir olmaları organik malzemeleri önemli hale getirmiştir. Organik elektronik aygıtlarının performansının ve kararlılığının arttırılabilmesi için oluşturduğu malzemelerin arayüzey etkileşimlerinin anlaşılması önemli rol oynamaktadır.
Bu tezde, Organik Alan Etkili Transistör (OFET)'lerin yük taşıma özelliklerinin belirlenmesinde yalıtkan/yarıiletken arayüzeyinin önemine vurgu yapılmıştır. Yalıtkan/yarıiletken arayüzeyinde meydana gelen akım sızıntıları azaltmak, transistörün yük taşıma kapasitesini ve kararlılığını arttırmak için n-Si/SiO2 ve Al/Al2O3 yalıtkan yüzeyleri üzerinde fenil boronik asit (PBA) ve türevi kendiliğinden biriken moleküllerin SAM tek katman yöntemi ile yüzeyde birikmesi sağlanmışır. Aktif tabaka olarak p-tipi organik yarıiletken Dinafto[2,3-b:2',3'-f]tiyeno[3,2-b]tiyofen (DNTT), PVD yöntemiyle yüzey üzerinde ince film oluşturulmuştur. Oluşturulan aktif tabaka üzerine n-Si/SiO2 yalıtkan yüzeyi için WO3/Au ve Al/Al2O3 yalıtkan yüzeyi için MoO3/Ag elektrotları PVD yöntemiyle elde edilmiştir. Böylece elde edilen DNTT tabanlı OFET'in yarıiletken/yalıtkan arayüzeyinin PBA ve türevi SAM molekülleri ile iyileştirilmesi sağlanmıştır. 
Yalıtkan/yarıiletken arayüzeyindeki etki mekanizmasını anlamak için kontakt açısı ile yüzey gerilim değerleri hesaplanmış ve Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AFM) ile yüzey morfolojisi incelenmiştir. Ayrıca yalıtkan/yarıiletken arayüzeyindeki etkileşimin anlaşılması için, SAM moleküllerinin biriktirilmesinden sonra 3nm kalınlıkta DNTT ince film yüzey üzerinde oluşturulmuştur. Böylece hem SAM yüzeylerinin hem de yarıiletken yüzeylerinin morfolojik yapısı incelenmiştir. Elde edilen OFET'lerin elektriksel özelliklerinin belirlenmesiyle yüksek yük hareketliliği ve Ion/Ioff değerlerine sahip, tekrarlanabilir ve kararlı oldukları görülmüştür.
Artan hareketlilik, azaltılmış eşik voltajı ve eşik altı eğimi değerlerine sahip ve daha az pürüzlü olan SiO2 yüzey üzerinde çok etkili bir yüzey pasivasyonu sağlanmıştır. Bununla birlikte, Al2O3 esaslı düşük gerilimle çalışan transistörlerde böyle bir gelişme gözlemlenmemiştir. Al2O3 yalıtkan yüzeylerinin çok pürüzlü olması, SAM moleküllerinin yüzey üzerinde oluşturdukları tek katmanı etkilemiştir.
n-Si/SiO2 yalıtkan yüzeyler üzerine kaplanan DNTT organik yarıiletken temelli OFET yapısı boronik asit esaslı moleküllerin OFET'lerin yalıtkan yüzey pasivasyonu yoluyla performansını arttırmada umut verici olduğunu göstermektedir. Elde ettiğimiz sonuçlar, organik elektronikte PBA ve türevi moleküllerin uygulanma alanı için yeni bir perspektif oluşturmuştur.

Abstract:
Organic semiconducting materials with stable mechanical properties, electronic, optical, photoelectrical and magnetic properties which are applicable to large surfaces,  obtained by different methods even at low temperatures and with low production costs draw attention in technological means. In addition, differentiating the optical and electrical properties by changing the molecular structure of organic semiconductors, their application to flexible surfaces, easy synthesis and solubility have made organic materials become important. Understanding the interface interactions between materials plays an important role in increasing the performance and stability of organic electronic devices.
In this thesis, the significance of the insulator/semiconductor interface in determining the load carrying characteristics of Organic Field Effect Transistors (OFETs) has been emphasized. Deposition of phenyl boronic acid (PBA) on the n-Si/SiO2 and Al/Al2O3 insulating surfaces and spontaneous deposition of the self-assembling molecules SAM the surface in order to reduce leakage currents at the insulator/semiconductor interface, increase the load-carrying capacity and stability of the transistor. A p-type organic semiconductor thin film, Dinafto[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT), as the active layer was formed on the surface by PVD method. WO3/Au electrodes for n-Si/SiO2 insulating surface and MoO3/Ag electrodes for Al/Al2O3 were formed on the active layer by PVD method. Thus, the semiconducting/insulating interface of the DNTT-based OFET was improved with PBA and its derivative SAM molecules.
In order to understand the effect mechanism at the insulator/semiconductor interface, the contact angle and surface tension values were calculated and the surface morphology was examined by Atomic Force Microscopy (AFM). Furthermore, in order to understand the interaction between the insulator and the semiconductor on the insulator / semiconductor interface, 3 nm thick DNTT was deposited on the thin film surface after accumulation of the SAM molecules. Thus, the morphological structure of both SAM and semiconductor surfaces has been investigated. Determination of the electrical properties of the OFETs revealed that they are repeatable and stable with high mobility and Ion/Ioff values.
A very effective surface passivation was achieved on the SiO2 surface with increased mobility, reduced threshold voltage and subthreshold slope and less roughness. Nevertheless, such an improvement has not been observed in Al2O3 based low voltage transistors. The roughness of the Al2O3 insulating surfaces has affected the single layer of SAM molecules formed on the surface.
The DNTT organic semiconductor based OFET structure coated on n-Si/SiO2 insulating surfaces shows that boronic acid-based molecules are very promising for increasing the performance of OFETs through insulator surface passivation. The results obtained create new perspective for the application of PBA and its derivative molecules in organic electronics.