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Jun 03, 2023

Elettrostaticamente

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16009 (2022) Citare questo articolo

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I transistor organici a film sottile (OTFT) sono promettenti elementi costitutivi di dispositivi elettronici stampabili flessibili. Simili ai FET inorganici, gli OTFT sono eterostrutture costituite da metalli, isolanti e semiconduttori, in cui le interfacce su scala nanometrica tra i diversi componenti dovrebbero essere progettate con precisione. Tuttavia, gli OTFT utilizzano metalli nobili, come l’oro, come elettrodi, il che ha rappresentato un collo di bottiglia in termini di riduzione dei costi e basso carico ambientale. In questo studio, dimostriamo che gli elettrodi di carbonio a base di grafite possono essere depositati e modellati direttamente su un film sottile organico monocristallino tramite rivestimento a spruzzo elettrostatico. Gli attuali OTFT hanno mostrato mobilità dell'effetto di campo ragionevolmente elevate fino a 11 cm2 V−1 s−1 per il tipo p e 1,4 cm2 V−1 s−1 per il tipo n senza deterioramento significativo durante i processi di spruzzatura elettrostatica. Dimostriamo anche due pietre miliari significative dal punto di vista della scienza dei materiali: un circuito complementare, un inverter costituito da OTFT di tipo p e n e un OTFT utilizzabile senza metalli composto da materiali completamente a base di carbonio. Questi risultati costituiscono un passo avanti fondamentale nell’ulteriore sviluppo di circuiti integrati stampati privi di metalli.

I transistor a film sottile (TFT) sono uno degli elementi costitutivi più importanti dei circuiti elettronici1,2,3, dove le eterointerfacce tra vari componenti come metalli, semiconduttori e isolanti svolgono un ruolo predominante nelle loro prestazioni4,5,6,7. I processi di produzione dei TFT richiedono la deposizione sequenziale di questi componenti, il che potrebbe ostacolare la produzione affidabile di dispositivi integrati. Per i TFT con semiconduttori organici (OSC) processabili in soluzione, in particolare, l'ingegneria dell'eterointerfaccia può essere più deleteria perché dovrebbe essere compatibile con la tecnologia di stampa8,9. Con i recenti sviluppi nel campo della chimica10,11,12,13,14 e dell'ingegneria dei dispositivi15,16,17,18,19,20 relativi all'elettronica stampata, le prestazioni degli OTFT elaborati in soluzione sono migliorate. In particolare, per film sottili monocristallini costituiti da pochi monostrati di OSC, sono state ottenute mobilità ad effetto di campo ragionevolmente elevate > 10 cm2 V−1 s−1 con eccellente stabilità ambientale15,16,17,21,22. Il processo di produzione migliorato consente la produzione di grandi membrane cristalline con coperture superficiali fino a 100 cm2, il che facilita ulteriormente la produzione ideale di circuiti integrati affidabili16.

Generalmente, gli OTFT richiedono la deposizione sequenziale di elettrodi metallici sulla parte superiore o periferica dei film sottili OSC. Gli elettrodi d'oro vengono spesso utilizzati come elettrodi di sorgente, drenaggio e gate. Ci sono varie ragioni per questo: (1) la funzione lavoro dell'oro (~ 5,0 eV) probabilmente corrisponde al bordo della banda di valenza (equivalente all'orbitale molecolare occupato più alto (HOMO) della maggior parte degli OSC di tipo p), (2) alta Gli elettrodi d'oro di alta qualità possono essere depositati mediante deposizione sotto vuoto e (3) gli elettrodi d'oro possiedono un'elevata stabilità ambientale anche se hanno la forma di pellicole ultrasottili. In particolare, è noto che la qualità dell'interfaccia oro/OSC domina le proprietà di iniezione del vettore e la resistenza del contatto interfacciale15,21. Sebbene gli elettrodi basati su polimeri conduttivi trattati in soluzione, come PEDOT:PSS, siano stati studiati in precedenza23, esistono studi limitati sui sostituti degli elettrodi d'oro, che rappresentano un collo di bottiglia in termini di riduzione dei costi e basso carico ambientale nell'elettronica stampata e flessibile.

In questo studio, dimostriamo che il carbonio a base di grafite può essere depositato e modellato direttamente su film sottili OSC monocristallini tramite rivestimento spray elettrostatico e funziona come un elettrodo di contatto efficiente per OTFT sia di tipo p che di tipo n. Gli OTFT mostrano eccellenti caratteristiche dei transistor con elevata mobilità dell'effetto di campo fino a 11 cm2 V−1 s−1 per OTFT di tipo p e 1,4 cm2 V−1 s−1 per OTFT di tipo n, una tensione di accensione prossima allo zero , isteresi trascurabile e un rapporto di corrente on-off di circa 106, paragonabili a quelli degli OTFT con contatti in oro14,16,24. Inoltre, un inverter complementare costituito da OTFT di tipo p e n è stato fatto funzionare con successo con una tensione fornita (Vdd) di 5-15 V, che è uno dei primi circuiti complementari organici a funzionare con elettrodi di carbonio a base di grafite. Abbiamo anche gestito un OTFT privo di metalli comprendente solo materiali a base di carbonio, come OSC, elettrodi di contatto/gate di carbonio, isolanti di polimeri organici e substrati di polimeri organici. I risultati costituiranno la base per l'ulteriore sviluppo di circuiti integrati complementari stampati, privi di metalli.