Coating engineering of composite materials for organic field-effect transistors

Abstract

Esta tesis describe el desarrollo de una tecnología para depositar películas delgadas de polímeros aislantes y materiales compuestos, para aplicaciones en transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs). Los materiales compuestos se componen de un semiconductor y un aislante. El aislante es el aglutinante y el semiconductor el material activo. Los materiales activos son polímeros o moléculas pequeñas. Los aglutinantes son estirenos, metacrilatos o combinaciones de ambos. A fin de demostrar las capacidades de la tecnología desarrollada, nombrada Bar Assisted Meniscus Shearing (BAMS), películas delgadas de poliestireno sobre Si/SiOx fueron depositadas, espesores típicos en el intervalo de 50 a 80 nm se encontraron, también valores de RMS en el rango de 0,5 a 0,6 nm fueron determinados, y confirma que películas muy lisas fueron formadas con aplicación tentativa a dieléctricos. Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) es ampliamente utilizado en transistores orgánicos de efecto de campo. Materiales compuestos basados en P3HT y poliestireno fueron probados. OFETs basados en materiales compuestos que sólo utilizan un 10% del material activo (P3HT) mostraron una movilidad de 0,1 cm2V-1s-1 y dicho valor coincide con el valor máximo de mobilidad reportado en literatura hasta la fecha para P3HT puro. Es importante destacar que todos los OFETs fabricados por BAMS usando materiales compuestos tienen voltajes de umbral alrededor de cero voltios a pesar de que toda la fabricación y caracterización se llevo a cabo en aire. Los semiconductores poliméricos juegan un papel muy importante dentro de los semiconductores orgánicos, debido a su ventaja de la capacidad de procesamiento. Por otra parte, las moléculas pequeñas carecen de procesabilidad pero en general poseen una alta mobilidad. Así, materiales compuestos se han desarrollaron para añadir procesabilidad a las pequeñas moléculas, pero tratando de mantener una alta mobilidad. Derivados del TTF, dibenzo - tetratiafulvaleno (DB-TTF), ditiofeno - tetratiafulvaleno (DT-TTF) y bis (etylenetio) - tetratiafulvaleno (BET-TTF) fueron las tres moléculas pequeñas investigadas. En primer lugar, películas térmicamente evaporadas de DB-TTF y BET-TTF puros fueron investigadas y su estabilidad en aire evaluada, se encontró que ambos son extremadamente inestables en presencia de oxígeno y agua. La inclusión de BAMs ha demostrado ser eficaz para producir OFETs basados en materiales compuestos. En primer lugar, se investigaron mezclas de poli (-metil-estireno) (PAMS), y DB-TTF. Los OFETs fabricados muestran estabilidad en aire y características de salida y de transferencia como las de un libro de texto, todas con mobilidades aceptables en el rango de 10-3 cm2V-1s-1. También OFETs a base de poliestireno isotáctico y DB-TTF se investigaron y mobilidades en el intervalo de 10-2 cm2V-1s-1 fueron encontradas. Además, una investigación de composiciones para los materiales compuestos se llevo a cabo, variando relaciones de mezcla y el peso molecular del poliestireno. Dicha investigación reveló que la mejor combinación es la relación de DB-TTF y poliestireno para GPC 3000 (PS3000) en una proporción 1: 2. Después de un estudio a fondo se obtuvo una mobilidad promedio para tal mezcla en el rango de 10-1 cm2V-1s-1 y tensiones umbrales cercanas a cero voltios, sin embargo vale la pena destacar que valores de mobilidad tan altos como 0.7 cm2V-1s-1 fueron encontrados. Medidas en función de la temperatura fueron llevadas a cabo y revelaron que el transporte de carga para estos dispositivos (DB-TTF: PS3000 1: 2) apuntan hacia una movilidad independiente de la temperatura, que correctos a nuestro saber y entender es el primer semiconductor orgánico procesado en solución que exhibe tal comportamiento. Otro comportamiento digno de resaltar fue el encontrado cuando los dispositivos constituyen inversores, ganancias tan altas como 300 fueron encontradas, lo que también a la actualidad es el valor de ganancia más alta para inversores orgánicos.

This thesis describes the development of a technology to deposit thin films of insulating polymers and composite materials for applications in organic field-effect transistors (OFETs). Composite materials are comprised of a semiconductor and an insulator. The insulator is the binder and the semiconductor the active material. The active materials are either polymers or small molecules. Binders are styrenes, methacrylates or combinations of both. In order to first demonstrate the capabilities of the technology developed, namely Bar Assisted Meniscus Sheering (BAMs), thin films of polystyrene on Si/SiOx were deposited, typical thicknesses in the range of 50 to 80 nm were found, also RMS values in the range of 0.5 – 0.6 nm were found as well, and confirms very smooth films with tentative application as dielectrics. Poly-(3-hexylthiophene) (P3HT) is widely used is organic field-effect transistors. Composite materials comprised of P3HT and polystyrene were tested. OFETs fabricated based on composites which only use a 10 % of the active material exhibited a mobility of 0.1 cm2V-1s-1 such value match the maximum mobility value reported in literature to-date for pure P3HT. It is important to highlight that all OFETs fabricated by BAMS using based on the composites have threshold voltages around zero volts despite the fact that all fabrication and characterization were carried out in air. Polymeric semiconductors plays a very important role inside organic semiconductors, due to their advantage the processability. On the other hand, small-molecules lacks processability but in general possess high mobility than polymeric semiconductors. So, composite materials were devised to add processability to small-molecules, but trying to maintain high mobility. TTF derivatives, dibenzo - tetharthiafulvalene (DB-TTF), dithiophene - tetrathiafulvalene (DT-TTF) and bis(ethylenethio) – tetrathiafulvalene (BET-TTF) were the three small-molecules investigated. First, thermally evaporated films of pure DB-TTF and BET-TTF were investigated and their stability in air assessed, found that both are extremely unstable under the presence of oxygen and water even at ppm levels. The inclusion of BAMs have been proven effective in order to produce OFETs based on composites -- insulator binder and TTF-derivatives. First, poly−(−μετηψλ styrene) PAMS, and DB-TTF composites were investigated. OFETs fabricated shows stability in air and text-book like output and transfer characteristics, all with acceptable mobilities in the range of 10-3 cm2V-1s-1. Also OFETs based on isotactic polystyrene and DB-TTF were investigated reporting mobilities in the range of 10-2 cm2V-1s-1. Further, an screening of compositions for composites were carried out, varying blend ratios and the molecular weight of the polystyrene. The screening was carried out using bottom and top contact devices. The screening revealed that the best performing blend is DB-TTF and polystyrene for GPC 3000 (PS3000) in a ratio 1:2. After an in-depth study have been conducted found average mobility for such blend in the range of 10-1 cm2V-1s-1 and threshold voltages close to zero volts were also found, however is worth to highlight that mobility values as high as 0.7 cm2V-1s-1 were also found. Temperature measurements have been carried out and revealed that the charge transport found for these devices (DB-TTF:PS3000 1:2) point towards a temperature independent mobility, that to the best of our knowledge to-date is the first organic solution processed semiconductor that exhibits such behavior. Also when devices construct inverters gains as high as 300 were found, which also to-date and to the best of our knowledge is the highest gain value for organic based inverters.