Effet du traitement de recuit in situ sur la mobilité et la morphologie des transistors à effet de champ organiques à base de TIPS-Pentacène

Contexte

Les transistors organiques à effet de champ (OFET) ont attiré une attention considérable en tant que candidat prometteur pour ses applications pratiques dans les papiers électroniques flexibles, les écrans plats, les étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID) et le cirque logique [1,2,3,4, 5,6,7]. Jusqu'à présent, plusieurs stratégies telles que le revêtement par lame [6, 8, 9], l'impression à jet d'encre [10, 11], l'héliogravure [12, 13] et les technologies de pulvérisation récemment apparues [14,15,16] ont s'est avérée être des méthodes efficaces pour la fabrication de dispositifs électroniques. Parmi ces méthodes, le revêtement par pulvérisation a été étudié de manière intensive en raison de son avantage unique dans la fabrication. Grâce à la méthode de revêtement par pulvérisation, divers matériaux à faible solubilité dans un solvant moins toxique peuvent être appliqués en raison de l'exigence d'une faible concentration de solution [17]. De plus, le revêtement par pulvérisation permet une vitesse de production plus élevée et une meilleure compatibilité avec divers substrats [18], et les différentes formes de film peuvent être modelées à travers des masques d'ombre [19]. De plus, par rapport à d'autres méthodes, telles que le moulage par rotation, le revêtement de lame et l'impression par gravure, le processus de revêtement par pulvérisation peut produire un film continu sans endommager la couche inférieure de l'appareil :il suffit de contrôler simplement la teneur en solvant, la taille des gouttelettes et la solidification. dynamique.

Dans les travaux précédents, de nouvelles méthodes de fabrication ont été appliquées pour obtenir des OFET hautes performances via un revêtement par pulvérisation. Khim et al. ont étudié les effets de la taille des gouttelettes sur les performances des OFET fabriqués à l'aide de couches actives semi-conductrices organiques imprimées par pulvérisation [16]. Park et al. ont fait une étude approfondie de la teneur en solvant en utilisant une méthode de post-traitement assistée par solvant [20]. Pendant ce temps, le chauffage du substrat s'est avéré être une méthode efficace pour améliorer la cristallinité des films semi-conducteurs [21, 22]. Pour cela, de multiples travaux de recherche ont été développés. Sarcletti et al. ont étudié l'influence mutuelle de l'énergie de surface et de la température du substrat sur la mobilité dans les semi-conducteurs organiques [23]. De plus, Padma et al. ont étudié l'influence de la température du substrat sur les modes de croissance des films minces de phtalocyanine de cuivre à l'interface diélectrique/semi-conducteur [24]. Par la suite, Mikayelyan et al. ont étudié l'effet de la température du substrat sur la structure et la morphologie des films évaporés sous vide [25]. Et l'effet du recuit thermique sur le développement des fissures a également été étudié [26]. Bien qu'un grand nombre d'études se soient concentrées sur l'amélioration des propriétés électriques intrinsèques des techniques de fabrication de dispositifs, l'influence du traitement de recuit in situ dans le domaine de la recherche des OFET revêtus par pulvérisation n'a pas reçu beaucoup d'attention. Pendant ce temps, le processus de solution conventionnel des OFET nécessite généralement des interruptions de production et un traitement de cuisson, ainsi que le processus prenant du temps. Par conséquent, le développement d'une nouvelle technique de traitement de recuit est donc une étape clé vers l'utilisation du plein potentiel du processus de pulvérisation.

Dans cette étude, nous avons introduit un traitement de recuit in situ simple dans la fabrication d'OFET haute performance, et diverses températures de substrat ont été appliquées dans le traitement de recuit in situ. Avec le traitement de recuit in situ à 60 °C, la mobilité du dispositif OFET s'est considérablement améliorée de 0,056 à 0,191 cm ² /Vs, qui a été principalement attribuée à la cristallisation améliorée et aux molécules ordonnées de 6,13-bis(triisopropyl-silyléthynyl) pentacène (TIPS-pentacène). Pour élucider le mécanisme de cette amélioration des performances, un microscope optique, un microscope à force atomique (AFM) et une diffraction des rayons X (XRD) ont été utilisés pour analyser la morphologie et la cristallisation des films TIPS-pentacène. Notre travail démontre qu'avec un simple traitement de recuit in situ, des OFET hautes performances avec un processus de fabrication efficace peuvent être réalisés en contrôlant soigneusement les conditions de la méthode de recuit in situ.

Méthodes

L'appareil de fabrication de dispositif est représenté sur la figure 1(a). Les structures chimiques du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et du 6,13-bis(triisopropyl-silyléthynyl) pentacène (TIPS-pentacène) sont illustrées sur les figures 1(b) et (c), respectivement. La configuration à contact supérieur de la grille inférieure des OFET avec diélectrique PMMA est illustrée sur la figure 1(d). Les verres revêtus d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ont été utilisés comme substrats et électrodes de grille. Les OFET ont été fabriqués selon la procédure suivante. Tout d'abord, les verres ITO placés sur un support en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ont été nettoyés par ultrasons dans un détergent, de l'acétone, de l'eau déminéralisée et de l'alcool isopropylique pendant 15 minutes chacun. Le PMMA a été dissous dans de l'anisole à une concentration de 100 mg/mL. Ensuite, un film de PMMA de 520 nm, fonctionnant comme diélectrique de grille, a été déposé par centrifugation sur les substrats et cuit à 150 °C pendant 1 h dans l'air pour éliminer les résidus de solvant. Troisièmement, la couche active de 30 nm de TIPS-pentacène a été déposée sur des substrats placés sur une plaque chauffante via un procédé de revêtement par pulvérisation avec traitement de recuit in situ, et la concentration de la solution de TIPS-pentacène était de 3 mg/mL dans le dichlorobenzène. Au cours de nos expériences, la vitesse de revêtement par pulvérisation était de 20 μL/s et la hauteur (de l'aérographe au substrat) était de 12 cm, et toutes les expériences ont été réalisées à température ambiante (20 °C). Enfin, un or (Au) de 50 nm d'épaisseur a été déposé thermiquement comme électrodes de source et de drain sur le film TIPS-pentacène par un masque perforé. L'épaisseur du film TIPS-pentacène a été caractérisée par un profileur d'étapes. La couche de PMMA pur et la couche de PMMA/TIPS-pentacène ont été mesurées séparément, et l'épaisseur du film de TIPS-pentacène peut être calculée par soustraction. Les ratios largeur/longueur des canaux de l'appareil sont de 100 (L = 100 μm, W = 1 cm). Les caractéristiques électriques de tous les appareils ont été mesurées avec un compteur source Keithley 4200 (Cleveland, OH, USA) dans l'air atmosphérique. La mobilité à effet de champ (μ ) a été extraite en régime de saturation de la pente la plus élevée de |I _DS | ^1/2 contre V _GS tracés en utilisant l'équation suivante :

un Représentation schématique de la fabrication OFET par revêtement par pulvérisation. b , c Structures moléculaires du PMMA et du TIPS-pentacène et du d architecture du dispositif de l'OFET utilisé dans cette étude

où je _DS est le courant drain-source, et L (100 μm) et W (1 cm) sont respectivement la longueur et la largeur du canal. C _je est la capacité par unité de la couche diélectrique, et V _GS et V _TH sont respectivement la tension de grille et la tension de seuil. Les morphologies de surface du TIPS-pentacène ont été caractérisées au microscope optique (U-MSSP4, OLYMPUS) et au microscope à force atomique (AFM) (MFP-3D-BIO, Asylum Research) en mode taraudage, et la caractérisation de la structure a été effectuée par Diffraction des rayons X sur poudre (XRD, TD-3500, Dandong, Chine) avec une tension d'accélération de 30 kV et un courant appliqué de 20 mA.

Résultats et discussion

Les OFET basés sur un traitement post-recuit à 120 °C pendant 20 min ont été fabriqués en tant que dispositif A, et ceux basés sur un traitement de recuit in situ avec les températures de 60, 90 et 120 °C ont été fabriqués en tant que dispositifs B, C et D , respectivement. La caractéristique de transfert typique, testée à une tension source-drain (V _DS ) de -40 V et la tension de grille (V _GS ) de 20 à -40 V, a été testé et présenté sur la figure 2a. Les caractéristiques de sortie ont été testées sous un V _DS de -40 V et un V _GS de 0 à -40 V à un pas de -10 V, comme le montre la figure 2b–e. Plusieurs paramètres fondamentaux, dont le courant de saturation (I _sur ), mobilité par effet de champ (μ ), tension de seuil (V _T ), l'oscillation sous le seuil (SS) et le rapport marche/arrêt (I _sur /Je _désactivé ), qui pourraient être utilisées pour évaluer les performances de l'OFET sont résumées dans le tableau 1.

un Courbes de transfert des appareils A–D. b –e Courbes de sortie des appareils A, B, C et D, respectivement

Sans surprise, tous les appareils ont présenté des caractéristiques typiques des transistors de type p. Il peut être clairement constaté que le traitement de recuit in situ a une influence considérable sur les propriétés électroniques des OFET. En particulier, avec le traitement de recuit in situ à 60 °C, les performances électriques de l'OFET ont été améliorées avec succès, y compris un décalage positif de V _TH (de -1,7 à -0,9 V), et un μ croissant (de 0,056 à 0,191 cm ² /Vs); la mobilité du dispositif B est presque quatre fois supérieure à celle du dispositif post-recuit A. Cependant, lors de l'application avec un traitement de recuit in situ à 90 °C, une dégradation importante des performances du dispositif apparaît avec l'augmentation de la température du substrat, y compris une dérive vers l'avant de V _TH de -0,9 à 2,0 V, et un μ décroissant variait de 0,191 à 0,04 cm ² /Vs. De plus, lorsque la température de recuit in situ a augmenté à 120 °C, les choses empirent encore, et une diminution évidente de I _sur de 12,1 à 0,17 μA et μ de 0,04 à 0,0005 cm ² /Vs a été obtenu. En conséquence, les performances des dispositifs C et D étaient bien pires que celles du dispositif post-recuit A.

Les tracés représentatifs de transfert et de sortie des OFET préparés par la méthode de revêtement par pulvérisation avec différents traitements de recuit sont représentés sur la figure 2. On peut clairement voir que le dispositif B présente les performances électriques les plus élevées, y compris des tensions de seuil proches de zéro et une oscillation sous-seuil étroite . Cependant, avec l'augmentation de la température du substrat dans le traitement de recuit in situ, une atténuation des performances électriques a été révélée. L'oscillation sous le seuil présentait une tendance évidente à l'augmentation avec la température de recuit in situ, ce qui implique une densité de piège relativement élevée à l'interface entre la couche diélectrique et semi-conductrice [27].

Pour scruter la morphologie de surface des films TIPS-pentacène, un microscope optique a été utilisé. Comme le montre la figure 3, les diverses formes et morphologies des films TIPS-pentacène ont été obtenues, et différentes tailles de grains de cristal peuvent être clairement observées au microscope optique. Les gros grains cristallins sont présentés sur les figures 3a, b, et le film TIPS-pentacène avec le traitement de recuit in situ à 60 °C est beaucoup plus uniforme, et des grains minces et longs se développent le long de la direction du canal. Il indique une meilleure organisation des molécules de TIPS-pentacène, entraînant de meilleures performances électriques du dispositif OFET. Cependant, lorsque la température du modèle atteint 90 ou 120 °C, une morphologie circulaire avec de petits grains commence à apparaître dans les dispositifs C et D, comme le montrent les figures 3c, d. Selon l'étude précédente, l'altération des morphologies des films TIPS-pentacène conduirait à la variation des propriétés électriques des dispositifs OFET [28,29,30].

Images au microscope optique d'une couche de TIPS-pentacène enduite par pulvérisation. un Température du substrat à température ambiante suivie d'un post-recuit à 120 °C pendant 20 min, b –d Température de recuit in situ de 60, 90 et 120 °C, respectivement

En outre, l'AFM a été utilisé pour caractériser les morphologies des films TIPS-pentacène enduits par pulvérisation. Comme illustré sur la figure 4b, des grains de pentacène TIPS bien ordonnés sont formés sur du diélectrique PMMA, tandis que des grains cristallins irréguliers de formes différentes sont illustrés sur la figure 4a, ce qui correspond bien aux images au microscope optique des figures 3a et b. Fait intéressant, lorsque la température du substrat dépasse 60 °C, des changements significatifs dans la morphologie du film TIPS-pentacène peuvent être observés. Les figures 4c, d montrent une morphologie arrondie pulvérisée typique avec une grande densité de petits grains de TIPS-pentacène, et ces grains présentent une morphologie microcristalline comprenant de nombreux amas d'îles de différentes tailles, comme indiqué dans les inserts. De plus, avec une augmentation supplémentaire de la température de recuit à 120 °C, un réseau de grains beaucoup plus petit se forme, ce qui entraîne une distribution clairsemée avec des joints de grains abondants, ce qui a un effet négatif sur le transport des porteurs [16, 31, 32]. De tels résultats indiquent que la température de recuit peut grandement affecter les propriétés filmogènes, conduisant à une différence significative dans les morphologies des films.

Hauteur AFM et images 3D de la couche de pentacène TIPS enduite par pulvérisation. un Température du substrat de RT (suivie d'un post-recuit à 120 °C 20 min). b –d Températures de recuit in situ de 60, 90 et 120 °C, respectivement. Encarts :AFM à fort grossissement; la barre de taille de numérisation des inserts est de 1 μm

Comme on peut le voir, les changements de température du substrat conduisent à des morphologies et des tailles de grains différentes. Et la plus grande morphologie du dispositif B peut être attribuée non seulement à la température de recuit appropriée, mais aussi à la condition privilégiée pour l'auto-organisation moléculaire. Lorsque les OFET sont préparés à une température de substrat relativement basse, une légère évaporation du solvant peut être maintenue, conduisant à un taux d'évaporation du solvant réduit, et les gouttelettes consécutives ont maintenu le film humide. En effet, cette modulation de la température du substrat influence directement la vitesse d'évaporation du solvant. Une température de recuit inférieure permet aux cristaux de TIPS-pentacène de croître lentement avec des molécules ordonnées [33], tandis qu'une température de substrat plus élevée contribue à une solidification rapide, sans un processus de séchage relativement lent du solvant [34]. Ainsi, un temps plus long a été obtenu pour l'auto-organisation moléculaire pendant le processus de pulvérisation, ce qui est responsable d'un degré plus élevé de séparation de phases et d'une plus grande taille de domaine [33, 35, 36]. En conséquence, des grains minces et longs se forment, et les ponts pour le transport des transporteurs dans la région du canal peuvent être construits à travers ces grains longs qui mesurent plus de 110,8 μm [37].

Pour étudier plus en détail l'orientation et l'emballage des molécules dans les films TIPS-pentacène enduits par pulvérisation, la XRD a été introduite. Comme le montre la figure 5, les traces individuelles présentent une série de pics de Bragg étroits attribuables aux réflexions (00l ) de TIPS-pentacène [38], et la densité indique que la température du substrat affectera considérablement la cristallinité des molécules de TIPS-pentacène [39]. Par rapport au dispositif A avec traitement post-recuit, le dispositif B a l'intensité de pic la plus forte, ce qui est cohérent avec les micrographies des films TIPS-pentacène, indiquant que le TIPS-pentacène déposé avec un traitement de recuit in situ à 60 °C donne la meilleure cristallinité de TIPS-pentacène. Lorsque la température du substrat augmente à 90 et 120 °C, un ordre inférieur de TIPS-pentacène s'est formé, ce qui était responsable de la baisse des performances de l'appareil [40].

Spectres XRD normalisés de films TIPS-pentacène revêtus par pulvérisation avec traitement de post-recuit et de recuit in situ

Conclusions

En résumé, nous avons fabriqué et testé des OFET par revêtement par pulvérisation de TIPS-pentacène avec un traitement de recuit in situ, et les morphologies de surface et la cristallisation du film obtenu ont été étudiées. Les résultats montrent que les performances électriques des OFET à base de TIPS-pentacène ont une forte corrélation avec les conditions de traitement de la couche active. Avec la température du modèle de 60 °C, la mobilité des OFET fabriqués par la méthode de recuit in situ passe de 0,056 à 0,191 cm ² /Vs. L'amélioration des performances a été attribuée à la cristallisation plus élevée et aux grains ordonnés. Ce traitement de recuit in situ de la méthode de revêtement par pulvérisation devrait être un moyen efficace pour la fabrication d'OFET hautes performances ainsi qu'un potentiel élevé de fabrication à faible coût et de polyvalence d'application.