Elektrostatisch

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16009 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Organische Dünnschichttransistoren (OTFTs) sind vielversprechende Bausteine ​​für flexible druckbare elektronische Geräte. Ähnlich wie anorganische FETs sind OTFTs Heterostrukturen aus Metallen, Isolatoren und Halbleitern, in denen nanoskalige Grenzflächen zwischen verschiedenen Komponenten präzise konstruiert werden sollten. Allerdings verwenden OTFTs Edelmetalle wie Gold als Elektroden, was im Hinblick auf Kostensenkung und geringe Umweltbelastung ein Hindernis darstellt. In dieser Studie zeigen wir, dass Kohlenstoffelektroden auf Graphitbasis durch elektrostatische Sprühbeschichtung direkt auf einem organischen einkristallinen Dünnfilm abgeschieden und strukturiert werden können. Die vorliegenden OTFTs zeigten relativ hohe Feldeffektmobilitäten von bis zu 11 cm2 V−1 s−1 für den p-Typ und 1,4 cm2 V−1 s−1 für den n-Typ ohne nennenswerte Verschlechterung während elektrostatischer Sprühprozesse. Außerdem demonstrieren wir zwei bedeutende Meilensteine ​​aus materialwissenschaftlicher Sicht: eine Komplementärschaltung, einen Wechselrichter bestehend aus p- und n-Typ-OTFTs und einen betriebsfähigen metallfreien OTFT aus vollständig kohlenstoffbasierten Materialien. Diese Ergebnisse stellen einen entscheidenden Fortschritt in der Weiterentwicklung gedruckter metallfreier integrierter Schaltkreise dar.

Dünnschichttransistoren (TFTs) sind einer der wichtigsten Bausteine ​​elektronischer Schaltkreise1,2,3, wobei Heteroschnittstellen zwischen verschiedenen Komponenten wie Metallen, Halbleitern und Isolatoren eine vorherrschende Rolle für ihre Leistung spielen4,5,6,7. TFT-Herstellungsprozesse erfordern eine sequentielle Abscheidung dieser Komponenten, was wahrscheinlich die zuverlässige Produktion integrierter Geräte beeinträchtigt. Insbesondere bei TFTs mit lösungsverarbeitbaren organischen Halbleitern (OSCs) kann die Heteroschnittstellentechnik schädlicher sein, da sie mit der Drucktechnologie kompatibel sein sollte8,9. Mit den jüngsten Entwicklungen in der Chemie10,11,12,13,14 und der Gerätetechnik15,16,17,18,19,20 im Zusammenhang mit gedruckter Elektronik hat sich die Leistung lösungsverarbeiteter OTFTs verbessert. Insbesondere für einkristalline Dünnfilme, die aus wenigen Monoschichten von OSCs bestehen, wurden relativ hohe Feldeffektmobilitäten > 10 cm2 V−1 s−1 mit ausgezeichneter Umweltstabilität erreicht15,16,17,21,22. Der verbesserte Herstellungsprozess ermöglicht die Herstellung großer kristalliner Membranen mit Flächenabdeckungen von bis zu 100 cm2, was die ideale Herstellung zuverlässiger integrierter Schaltkreise weiter erleichtert16.

Im Allgemeinen erfordern OTFTs die sequentielle Abscheidung von Metallelektroden entweder auf der Oberseite oder am Rand der OSC-Dünnfilme. Goldelektroden werden häufig als Source-, Drain- und Gate-Elektroden verwendet. Dafür gibt es verschiedene Gründe: (1) Die Austrittsarbeit von Gold (~ 5,0 eV) stimmt wahrscheinlich mit der Valenzbandkante überein (entspricht dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) der meisten p-Typ-OSCs), (2) hoch Hochwertige Goldelektroden können durch Vakuumabscheidung abgeschieden werden, und (3) Goldelektroden weisen eine hohe Umweltstabilität auf, obwohl sie in Form ultradünner Filme vorliegen. Insbesondere ist bekannt, dass die Qualität der Gold/OSC-Schnittstelle die Ladungsträgerinjektionseigenschaften und den Grenzflächenkontaktwiderstand dominiert15,21. Obwohl Elektroden, die auf lösungsverarbeiteten leitfähigen Polymeren wie PEDOT:PSS basieren, bereits zuvor untersucht wurden23, gibt es nur begrenzte Studien zu Ersatzstoffen für Goldelektroden, was einen Engpass im Hinblick auf Kostenreduzierung und geringe Umweltbelastung in gedruckter, flexibler Elektronik darstellt.

In dieser Studie zeigen wir, dass Kohlenstoff auf Graphitbasis durch elektrostatische Sprühbeschichtung direkt auf einkristallinen OSC-Dünnfilmen abgeschieden und strukturiert werden kann und als effiziente Kontaktelektrode für OTFTs vom p- und n-Typ fungiert. Die OTFTs weisen hervorragende Transistoreigenschaften mit hohen Feldeffektmobilitäten von bis zu 11 cm2 V−1 s−1 für p-Typ- und 1,4 cm2 V−1 s−1 für n-Typ-OTFTs auf, eine Einschaltspannung nahe Null , vernachlässigbare Hysterese und ein Ein-Aus-Stromverhältnis von etwa 106, die mit denen von Goldkontakt-OTFTs vergleichbar sind14,16,24. Darüber hinaus wurde ein komplementärer Wechselrichter bestehend aus p- und n-Typ-OTFTs erfolgreich bei einer Versorgungsspannung (Vdd) von 5–15 V betrieben. Dies ist einer der ersten organischen komplementären Schaltkreise, die mit Kohlenstoffelektroden auf Graphitbasis betrieben wurden. Wir haben auch ein metallfreies OTFT betrieben, das ausschließlich kohlenstoffbasierte Materialien wie OSC, Kohlenstoffkontakt-/Gate-Elektroden, organische Polymerisolatoren und organische Polymersubstrate umfasst. Die Ergebnisse werden die Grundlage für die Weiterentwicklung gedruckter, metallfreier, komplementärer integrierter Schaltkreise sein.

Wir verwendeten unsere Benchmark-OSCs für kleine Moleküle, 3,11-Dinonyldinaphtho[2,3-d:2',3'-d']benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophen (C9–DNBDT). –NW)25 und N,N'-Diphenethyl-3,4,9,10-benzo[de]isochinolino[1,8-gh]chinolintetracarbonsäurediimid (PhC2–BQQDI)14 für die p- und n-Typ-OTFTs, jeweils. Abbildung 1a zeigt die Gerätekonfiguration der Bottom-Gate-Top-Contact-OTFTs, die unter Verwendung der oben genannten OSCs und Kohlenstoffkontaktelektroden hergestellt wurden. Al (t = 30 nm) und Parylen (t = 200 nm) wurden nacheinander auf Eagle XG-Glas als Gate-Elektrode bzw. Isolator abgeschieden. Die Kapazität pro Flächeneinheit (Ci) wurde basierend auf der Dicke und der relativen Permittivität εr = 3,1 mit 13,7 nF cm−2 bewertet. Einkristalline OSC-Dünnfilme, die durch kontinuierliches Kantengießen26 hergestellt wurden, wurden auf die Oberseite übertragen und dann durch Laserätzen strukturiert. Das Herstellungsverfahren wird im Abschnitt „Materialien und Methoden“ beschrieben.

Konfiguration und Transistoreigenschaften von p- und n-Typ-OTFTs mit Kohlenstoffkontaktelektroden. (a) Gerätekonfiguration von OTFTs mit Kohlenstoffkontaktelektroden, bei der ein einkristalliner Dünnfilm entweder vom p-Typ C9–DNBDT–NW oder vom n-Typ PhC2–BQQDI als OSC-Schicht verwendet wurde. (b) Schematische Darstellung der elektrostatischen Sprühbeschichtung einer Kohlenstoffsuspension einschließlich Graphitpulver und Ruß. Die Kohlenstoffsuspension wurde durch elektrostatische Abstoßung durch die Ladedüse, an die eine Hochspannung von 10–13 kV angelegt wurde, zerstäubt. Der Kohlenstoff wurde durch eine CYTOP-beschichtete Schablonenmaske auf einem Zielsubstrat strukturiert. (c) Übertragungseigenschaften im Sättigungsbereich (VD = − 30 V) und (d) Ausgangseigenschaften eines p-Typ-OTFT mit C9-DNBDT-NW als OSC-Schicht und Kohlenstoff als Kontaktelektroden. (e) Bild der polarisierten optischen Mikroskopie (POM) des p-Typ-OTFT unter Cross-Nicol-Bedingung. (f) Übertragungseigenschaften im Sättigungsbereich (VD = 20 V) und (g) Ausgangseigenschaften des n-Typ-OTFT mit PhC2-BQQDI als OSC-Schicht und Kohlenstoff als Kontaktelektroden. (h) POM-Bild des n-Typ-OTFT unter Cross-Nicol-Bedingung. Die Kanallänge (L) und Breite (W) beider OTFTs betrugen 100 μm bzw. 200 μm.

Das Ziel dieser Studie war die erfolgreiche Abscheidung und Strukturierung von Kohlenstoffkontaktelektroden auf OSC-Dünnfilmen ohne Verschlechterung der Qualität des OSC-Einkristalls. Um dies zu erreichen, haben wir eine elektrostatische Sprühbeschichtung aus einer Kohlenstoffsuspension, Dotite XC-9089, eingesetzt, bei der es sich um eine ternäre Mischung handelt; Graphit als wichtigster elektrischer Leiter; Ruß als leitfähiges Additiv; und ein Polyacrylat-Bindemittel in Butylacetat. Butylacetat wurde aufgrund seiner guten Benetzbarkeit und schlechten Löslichkeit sowohl in C9-DNBDT-NW- als auch in PhC2-BQQDI-Einkristallen als schadensfreies Lösungsmittel ausgewählt. Ein elektrostatischer Sprühnebel (Abb. 1b), bei dem eine Hochspannung von 10–13 kV an eine Sprühdüse angelegt wird, um den Ausstoß durch elektrostatische Abstoßung zu zerstäuben, kann die Kohlenstoffsuspension effizient in einen Nebel umwandeln, was zu einer schnellen Verdampfung des Lösungsmittels führt . Dies trägt auch dazu bei, Schäden an den OSC-Filmen zu reduzieren. Durch elektrostatische Sprühbeschichtung wurde die Kohlenstoffelektrode auf einem Substrat von bis zu 100 mm × 100 mm unter Verwendung einer Schablonenmaske strukturiert, die mit einem solvophoben CYTOP-Polymer beschichtet war, was verhinderte, dass sich die Kohlenstoffsuspension unter der Maske ausbreitete. Gemäß der Strukturierungsmethode wurde auf beiden lasergeätzten OSC-Filmen erfolgreich eine Kohlenstoffkontaktelektrode auf Graphitbasis gebildet, wie in den Bildern der polarisierten optischen Mikroskopie (POM) der resultierenden OTFTs vom p- und n-Typ in Abb. 1c gezeigt ,F. Die Kanallänge (L) und -breite (W) betrugen 100 μm bzw. 200 μm, sodass L/W für beide OTFTs 0,5 betrug. Durch die Strukturierungsmethode konnte auch die OTFT-Kanallänge erfolgreich auf 50 μm reduziert werden.

Die Transistoreigenschaften der p- und n-Typ-OTFTs sind in Abb. 1d, e, g, h dargestellt. Die aus den Übertragungskurven im Sättigungsbereich extrahierten effektiven Feldeffektmobilitäten (μeff) betrugen 10,9 cm2 V−1 s−1 (9,8 ± 0,6 cm2 V−1 s−1, N = 6) und 1,4 cm2 V−1 s −1 (1,4 ± 0,2 cm2 V−1 s−1, N = 3) für die p- bzw. n-Typ-OTFTs. Diese Werte sind so hoch wie die zuvor für OTFTs berichteten Werte, die aus häufig verwendeten Goldkontaktelektroden und denselben OSCs bestehen14,16,24. Die Schwellen- und Einschaltspannungen (Vth und Von) wurden für den p-Typ-OTFT auf −2,3 und +1,5 V und für den n-Typ-OTFT auf −0,2 und −2,0 V geschätzt, was darauf hinweist, dass beide OTFTs eingeschaltet waren bei einer Spannung von nahezu Null. Darüber hinaus zeigten die Übertragungskurven im Sättigungsbereich und die Ausgangskurven eine vernachlässigbare Hysterese und ein hohes Ein-Aus-Stromverhältnis von mehr als 106, was einem lehrbuchähnlichen Verhalten entspricht. Daher ist hervorzuheben, dass elektrostatisch abgeschiedene Kohlenstoffelektroden ein hervorragender Ersatz für herkömmliche Edelmetall-Kontaktelektroden in OTFTs sind. Dies wird auch durch die Ergebnisse der Photoelektronenausbeutespektroskopie (PYS) in der ergänzenden Abbildung 1 online gestützt, die zeigten, dass die Kohlenstoffsuspension eine hohe Austrittsarbeit ΦC = 5,28 eV aufweist, die so hoch ist wie die von Gold27. Darüber hinaus deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die elektrostatische Sprühbeschichtung von OSC-Dünnfilmen ein beschädigungsfreier Prozess ist, auch wenn die Kohlenstoffsuspension direkt auf die Oberfläche der Filme gesprüht wird, was zu einer funktionellen Heterostruktur zwischen der Kohlenstoffelektrode und den OSCs führt.

In diesem Bericht haben wir absichtlich OFETs mit relativ großem L (im Bereich von 100 μm) entworfen. Dies liegt hauptsächlich an den Einschränkungen der Schablonenmaske. Wir haben festgestellt, dass die tatsächliche Kanallänge auf dem Substrat etwas größer (ca. 5 μm) ist als die geplante Kanallänge, die der Länge auf der Schablonenmaske entspricht. Dies zeigt deutlich, dass die Musterkanten durch die Ablagerung von Kohlenstoffpartikeln im Schatten des Maskenmusters verlängert werden, d. h. durch den Schatteneffekt. Es ist möglich, die Strukturierungsgenauigkeit mithilfe eines Fotolithographieprozesses zu verbessern.

Ein komplementärer Wechselrichter besteht aus einem p-Typ- und einem n-Typ-OFET; Daher wird es als die einfachste Komplementärschaltung angesehen. Somit wurde der Betrieb komplementärer Wechselrichter auf Basis dieser OTFTs demonstriert, bei denen ein p-Typ- und ein n-Typ-OTFT miteinander verbunden waren, wie in Abb. 2a, b dargestellt. Abbildung 2c zeigt die Spannungsübertragungskurven, die bei Versorgungsspannungen (Vdd) von 5, 10 und 15 V erhalten wurden. Aufgrund der Symmetrie wurden bei allen Vdd-Werten ein voller Rail-to-Rail-Schwung, eine kleine Hysterese und ein Ein-Aus-Schaltverhalten beobachtet OTFTs im Komplementärwechselrichter. Die Schaltspannung, die der Spannung entspricht, wenn Vout = Vin (Vout: Ausgangsspannung und Vin: Eingangsspannung), betrug fast die Hälfte des Werts der angelegten Vdd; Beispielsweise betrug die Schaltspannung 4,89 V bei Vdd von 10 V. Die maximale Signalverstärkung (Verstärkung = ∂Vout/∂Vin) erreichte 20 bei Vdd von 10 V, wenn Vin etwa bei der Schaltspannung lag (Abb. 2e). Darüber hinaus ist in Abb. 2d der Durchschussstrom (Ithrough) als Funktion von Vin aufgetragen. Bei einem 10-V-Betrieb betrug Ithrough bei Vin = 0 V und Vin = Vdd = 10 V ungefähr 2 nA, was zu einem minimalen statischen Stromverbrauch von 20 nW führte. Darüber hinaus zeigte der Ithrough bei der Schaltspannung einen Maximalwert von 0,52 μA. Dadurch konnte die einfachste Komplementärschaltung, der Wechselrichter, erfolgreich mit einer Kohlenstoff-Kontaktelektrode betrieben werden. Alle Eigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Komplementärwechselrichter mit Kohlenstoff-Kontaktelektroden. (a) Schaltplan und (b) Gerätekonfiguration eines komplementären Wechselrichters bestehend aus einem p-Typ- und einem n-Typ-OTFT mit Kohlenstoff-Kontaktelektroden. (c) Spannungsübertragungskurven, (d) Durchschussstrom und (e) Spannungsverstärkung im Vdd-Bereich von 5–15 V.

Wir haben auch metallfreie OTFTs demonstriert, indem wir das oben genannte Parylen/Al/Glas-Substrat durch ein vollständig kohlenstoffbasiertes Parylen/XC-9089/Poly(methylmethacrylat) (PMMA) ersetzt haben. Das sequentielle Herstellungsverfahren ist in Abb. 3a dargestellt. Die Kohlenstoff-Gate-Elektrode wurde auf einem UV/O3-behandelten Eagle-XG-Glassubstrat durch elektrostatisches Sprühbeschichten mit einer Kohlenstoffsuspension XC-9089 wie oben beschrieben strukturiert. Die Kohlenstoffelektrode wurde mit einer 20 Gew.-%igen Lösung von PMMA (Mw = 120.000) in Acetonitril schleuderbeschichtet und dann 30 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 80 °C gebacken. Das Schleuderbeschichten wurde zweimal durchgeführt, um einen dicken, selbststehenden PMMA-Film zu erhalten. Ein Trägersubstrat aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) wurde auf den PMMA-Film gelegt und anschließend 1 Stunde lang bei 100 °C getempert. Das gesamte Substrat wurde auf den Kopf gestellt und bei Raumtemperatur in entionisiertes Wasser getaucht, wodurch das UV/O3-behandelte Glassubstrat entfernt wurde (Abb. 3b). Nach Vakuumtrocknung über Nacht bei RT wurde eine in einen PMMA-Film eingebettete Kohlenstoff-Gate-Elektrode erhalten. Die arithmetische durchschnittliche Oberflächenrauheit (Ra) der Kohlenstoff-Gate-Elektrode wurde mit bildgebender interferometrischer Mikroskopie mit 30–60 nm ermittelt, was unabhängig von der durchschnittlichen Graphitpartikelgröße von 3 μm zu einer relativ glatten Oberfläche führte. Dies liegt daran, dass das Eagle XG-Glas als Vorlage für eine glatte Oberfläche fungierte und sowohl der Ruß als auch das Polymerbindemittel die Lücken zwischen den Graphitpartikeln füllten. Die folgenden Prozesse, wie Parylene-Beschichtung, Übertragung des C9-DNBDT-NW-Dünnfilms und Laserätzen, wurden mit dem gleichen Verfahren wie oben durchgeführt. Wie in den POM-Bildern gezeigt, die unter Open-Nicol- (Abb. 3c) und Cross-Nicol-Bedingungen (Abb. 3d) aufgenommen wurden, wurde der OSC-Dünnfilm über das Kohlenstofftor übertragen, ohne dass ernsthafte Schäden, wie z. B. Kanalkreuzungsrisse, auftraten. Der Ci des Gate-Isolators Parylene mit einer Dicke von 214 nm wurde mit 12,8 nF cm−2 bewertet. Schließlich wurden integrierte OTFTs auf einem freistehenden PMMA-Film erhalten, indem mittels elektrostatischer Sprühbeschichtung eine Kohlenstoffkontaktelektrode gebildet und anschließend das PDMS-Trägersubstrat entfernt wurde. Es ist bemerkenswert, dass alle Komponenten, nämlich das Substrat, die Elektroden, der Gate-Isolator und der Halbleiter, Materialien auf Kohlenstoffbasis und nicht aus Metallen sind.

Herstellung metallfreier OTFTs. (a) Sequentielles Herstellungsverfahren eines metallfreien OTFT bestehend aus C9-DNBDT-NW als OSC, Kohlenstoff als Kontakt- und Gate-Elektroden, Parylen als Kohlenwasserstoff-Polymerisolator und PMMA als Substrat. (b) Foto eines strukturierten Kohlenstoff-/PMMA-Films, der in einem Wasserbad von einem Glassubstrat entfernt wird. (c, d) POM-Bilder eines C9-DNBDT-NW-Dünnfilms, übertragen auf einen Parylene/Kohlenstoff/PMMA-Film und dann lasergeätzt. Beobachtet unter (c) Open-Nicol- bzw. (d) Cross-Nicol-Bedingungen.

Abbildung 4a zeigt einen 30 mm × 30 mm großen selbststehenden PMMA-Film, der bis auf die Kohlenstoffelektrodeneinheiten farblos und transparent ist. Abbildung 4b und c zeigen POM-Bilder eines metallfreien p-Typ-OTFT auf dem PMMA-Film, beobachtet unter Open-Nicol- bzw. Cross-Nicol-Bedingungen. Das L/B des Kanals betrug 100 μm/170 μm. Die Transistoreigenschaften des metallfreien OTFT wurden ebenfalls untersucht. Abbildung 4d–f zeigt die Übertragungskurven im Sättigungsbereich, den entsprechenden μeff bzw. die Ausgangskurven. Die Eigenschaften waren eine leichte Verbesserung gegenüber denen des oben genannten Al-Gate-OTFT vom p-Typ; Beispielsweise wurden Vth und Von auf − 1,5 und + 1,0 V geschätzt, was darauf hindeutet, dass die Einschaltspannung nahe Null lag. Darüber hinaus zeigte der metallfreie OTFT ein hohes Ein-Aus-Stromverhältnis von mehr als 108 und einen relativ hohen μeff von 7,3 cm2 V−1 s−1 (4,4 ± 2,1 cm2 V−1 s−1, N = 11). Obwohl dieser metallfreie Herstellungsprozess sowohl für p-Typ- als auch für n-Typ-OSCs universell anwendbar ist, besteht bei der Qualität einkristalliner Dünnfilme von n-Typ-OSCs Raum für Verbesserungen, was eindeutig die mangelnde Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von CMOS verursacht Schaltkreise. Insgesamt legen diese Ergebnisse nahe, dass metallfreie, vollständig kohlenstoffbasierte OTFTs realisiert werden können.

Eigenschaften metallfreier OTFTs. (a) Foto von metallfreien OTFTs auf einem 30 x 30 mm großen selbststehenden PMMA-Film. (b, c) POM-Bilder des metallfreien OTFT unter (b) Open-Nicol- bzw. (c) Cross-Nicol-Bedingungen. (d) Übertragungskurve im Sättigungsbereich (VD = − 15 V), (e) entsprechende effektive Mobilitäten aufgetragen als Funktionen von VG und (f) Ausgangskurve des metallfreien OTFT.

In dieser Studie haben wir eine elektrostatische Sprühbeschichtungsmethode entwickelt, um Kontaktelektroden aus graphitbasiertem Kohlenstoff auf einkristallinen OSC-Dünnfilmen vom p- und n-Typ ohne ernsthafte Schäden zu strukturieren. Die resultierenden OTFTs vom p- und n-Typ zeigten hervorragende Transistoreigenschaften, die durch hohe effektive Feldeffektmobilitäten von 11 cm2 V−1 s−1 für OTFTs vom p-Typ und 1,4 cm2 V−1 s−1 für OTFTs vom n-Typ repräsentiert werden. jeweils. Diese Eigenschaften sind vergleichbar mit denen herkömmlicher OTFTs mit Kontaktelektroden aus Gold, was ein starker Hinweis darauf ist, dass billiger, weit verbreiteter und leicht zugänglicher Kohlenstoff Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin als wirksame Kontaktelektrodenmaterialien für OTFTs ersetzen kann. Die vorliegende Kohlenstoffsuspension kann für andere Drucktechniken verwendet werden, beispielsweise für den Tintenstrahldruck und den Offsetdruck. Derzeit verwenden wir kommerziell erhältliches Graphitpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 3 μm. Eine weitere Reduzierung der Partikelgröße ermöglicht eine feinere Strukturierung, was ein zentrales Thema für die Zukunft sein wird. Darüber hinaus haben wir die einfachste Komplementärschaltung, einen Inverter, bestehend aus p- und n-Typ-OTFTs, mit Versorgungsspannungen von 5–15 V erfolgreich betrieben Es gelang bereits, die Kohlenstoffelektrode auf einem 50 mm × 50 mm großen Substrat zu strukturieren. Hier haben wir auch einen vollständig kohlenstoffbasierten OTFT hergestellt und betrieben, der aus einem p-Typ-OSC, Kohlenstoffelektroden, Kohlenwasserstoff-Polymerisolatoren und einem PMMA-Substrat besteht. Daher wird die Herstellung metallfreier integrierter Schaltkreise unter Verwendung von Kohlenstoffelektroden in naher Zukunft realisiert, und OTFT-Anwendungen in flexiblen druckbaren elektronischen Geräten werden weitere Fortschritte erzielen.

Der p-Typ-OSC, C9–DNBDT–NW, wurde intern synthetisiert und gereinigt. Das n-Typ-OSC und PhC2-BQQDI wurden von FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation erworben. Die Kohlenstoffsuspension Dotite XC-9089 (Fujikura Kasei Co., Ltd.) wurde durch Mischen von Graphitpulver (durchschnittliche Partikelgröße: 3 μm) und Ruß mit Polyacrylat-Binder in Butylacetat hergestellt. Der Feststoffgehalt betrug etwa 20 Gew.-%, bei einem Gewichtsverhältnis von Graphit:Ruß:Bindemittel von 3:1:1. Alle anderen verwendeten Chemikalien und Materialien waren im Handel erhältlich.

Das elektrostatische Sprühen wurde mit einem Micro Mist Coater PDR-06 (Nagase Techno-Engineering Co. Ltd.) durchgeführt. Beide Seiten einer Schablonenmaske aus rostfreiem Stahl wurden mit einem fluorierten Polymer, CYTOP (AGC Inc.), mit einer Rakel beschichtet, um die Oberfläche der Maske solvophob zu machen. Nach dem Waschen mit 1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6-Tridecafluoroctan zur Entfernung von überschüssigem CYTOP wurde die Maske auf das Zielsubstrat gelegt und mit der Erde verbunden. Das maskierte Substrat wurde auf 80 °C erhitzt und dann zehnmal elektrostatisch mit XC-9089 besprüht, indem die Kohlenstoffsuspension mit einer Durchflussrate von 0,10 ml/min in eine Sprühdüse geleitet wurde, an die eine Spannung von 10–13 kV angelegt worden war . Die Düsenscangeschwindigkeit betrug 100 mm/s. Nach einstündiger Vakuumtrocknung bei 70 °C wurde der strukturierte Kohlenstoff auf dem Zielsubstrat durch Entfernen der Schablonenmaske erhalten.

p- und n-Typ-OTFTs mit Kohlenstoffkontaktelektroden wurden auf Eagle XG-Glassubstraten (Corning Inc.) mit einer Dicke von 0,7 mm hergestellt. Auf einem mit O2-Plasma gereinigten Glassubstrat wurde 30 nm dickes Al abgeschieden und durch Elektronenstrahlverdampfung durch eine rostfreie Schablonenmaske (t = 50 μm) strukturiert. Die Al-Schicht wurde von einem 200 nm dicken Parylene diX-SR (KISCO Ltd.) eingekapselt, das als Gate-Isolator diente. Wie in unserer vorherigen Studie26 beschrieben, wurden einkristalline Dünnfilme aus p- und n-Typ-OSCs durch kontinuierliches Kantengießen einer 0,02 Gew.-%igen Lösung von C9-DNBDT-NW in 3-Chlorthiophen auf UV/O3-behandeltem Eagle erhalten XG-Glas bei 90 °C bzw. eine 0,02 Gew.-%ige Lösung von PhC2-BQQDI in 1-Chlornaphthalin auf nanogemahlenem Glas24 bei 148 °C. Nach dem Kantengießen wurde jedes Substrat in Stücke geschnitten. Der C9-DNBDT-NW-Film wurde direkt mit der Vorderseite nach unten auf das Parylene/Al/Glas-Substrat gelegt und dann auf das Substrat übertragen, indem einige Tropfen hochreines Wasser zwischen die beiden Substrate aufgetragen wurden22. In der Zwischenzeit wurde der PhC2-BQQDI-Film über ein Relaissubstrat aus PDMS auf das Parylene/Al/Glas-Substrat übertragen, um ernsthafte Schäden am Film zu vermeiden24. Nach 10-stündiger Vakuumtrocknung bei 80 °C wurden beide übertragenen OSC-Filme durch einen Laserablationsprozess unter Verwendung eines Yttrium-Aluminium-Granat-Lasers (YAG) und eines UV-Pikosekundenlasers (λ = 355 nm) strukturiert. Die Kanallänge (L) und -breite (W) betrugen 100 bzw. 200 μm und L/W betrug 0,5. Die Kohlenstoffkontaktelektroden wurden wie oben beschrieben durch elektrostatisches Sprühbeschichten durch eine CYTOP-beschichtete Schablonenmaske aus rostfreiem Stahl auf die OSC-Filme strukturiert.

Komplementäre Wechselrichter mit Kohlenstoffkontaktelektroden wurden nach dem gleichen Verfahren wie oben hergestellt, aber L/W betrug 95 μm/20 μm für p-Typ C9–DNBDT–NW und 95 μm/500 μm für n-Typ PhC2–BQQDI.

Alle elektrischen Messungen wurden mit einem Halbleitercharakterisierungssystem, 4200-SCS (Keithley), unter dunklen und Umgebungsbedingungen durchgeführt. Die effektive Feldeffektmobilität μeff im Sättigungsbereich wurde anhand der Übertragungseigenschaften bestimmt

wobei ID,sat, L, W, Ci, VG, Vth und VD jeweils der Drain-Strom im Sättigungsbereich, die Kanallänge, die Kanalbreite, die Kapazität pro Flächeneinheit, die Gate-Spannung, die Schwellenspannung und die Drain-Spannung sind. Die Werte von Ci wurden aus der Dicke und der relativen Permittivität des Gate-Isolators Parylene diX-SR bestimmt.

Die Daten, die die Darstellungen in diesem Artikel stützen, und andere Ergebnisse dieser Studie sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor (Kazuyoshi Watanabe; [email protected]) erhältlich.

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Wir danken Takeshi Aizawa, Fujikura Kasei Co. Ltd., für seine Unterstützung bei der Entwicklung des Carbon-Fahrwerks XC-9089. SW dankt der Leading Initiative for Excellent Young Researchers des JSPS für die Unterstützung. Diese Arbeit wurde teilweise auch von JSPS KAKENHI (Grant-Nr. JP17H06123, JP20K15358, JP20H00387, JP20K20562 und JP20H05868) und vom JST FOREST-Programm (Grant-Nr. JPMJFR2020) unterstützt.

Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaften, Graduate School of Frontier Sciences, Universität Tokio, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, 277-8561, Japan

Kazuyoshi Watanabe, Toshihiro Okamoto, Shun Watanabe und Jun Takeya

NTT Device Technology Laboratories, Nippon Telegraph and Telephone (NTT) Corporation, 3-1 Morinosato-Wakamiya, Atsugi, Kanagawa, 243-0198, Japan

Naoki Miura, Hiroaki Taguchi, Takeshi Komatsu und Hideyuki Nosaka

Material Innovation Research Center (MIRC), Graduate School of Frontier Sciences, Universität Tokio, Kashiwa, Chiba, 277-8561, Japan

Toshihiro Okamoto, Shun Watanabe und Jun Takeya

Vorläufige Forschung für embryonale Wissenschaft und Technologie (PRESTO), Japan Science and Technology Agency (JST), Kawaguchi, Saitama, 332-0012, Japan

Toshihiro Okamoto

International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), Tsukuba, 305-0044, Japan

Jun Takeya

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KW konzipierte und führte die Experimente durch und analysierte die Daten. TO synthetisierte und reinigte das C9–DNBDT–NW. NM, HT, TK und HN unterstützten die rationale Materialauswahl. KW und SW verfassten das Manuskript mit maßgeblicher Unterstützung von JTSW, und JT überwachte die Studie. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Kazuyoshi Watanabe, Shun Watanabe oder Jun Takeya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Watanabe, K., Miura, N., Taguchi, H. et al. Elektrostatisch gespritzte Kohlenstoffelektroden für hochleistungsfähige organische Komplementärschaltungen. Sci Rep 12, 16009 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19387-y

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Eingegangen: 15. Juni 2022

Angenommen: 29. August 2022

Veröffentlicht: 07. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19387-y

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