文摘

保利(3-hexylthiophene) P3HT,已广泛应用于有机电子的半导体材料。它患有低载流子迁移率的特性。这限制了P3HT的应用程序。因此,混合半导体材料、碳纳米颗粒(CNP),和P3HT由喷墨印刷有机场效应晶体管技术开发和研究工作。装配式ofet的有效载流子迁移率可以提高8倍添加CNP和使用O2等离子体处理。同时,捏造ofet的跨导也提高了5倍。基于扫描电镜的观察、x射线衍射和红外光谱,这些改进是导致了局部场引起的CNP / P3HT复合物的形成。这一观点提供了一个洞察在有机半导体材料的发展。此外,这项工作也提供了一个低成本和有效的半导体材料为喷墨打印技术在有机电子的发展。

1。介绍

有机电子得到了巨大的利益在柔性电子元件由于其潜在的应用。此外,有机电子的特点包括低成本和低温过程也促进该研究领域的值。因此,各种有机电子设备不断提出和实施,如有机薄膜晶体管(OTFTs) [1],大面积显示[2),太阳能电池(3- - - - - -5),有机发光二极管(oled) [6,7),无线射频识别标签(标签)8),和传感器(9]。在各种制备方法实现这些有机电子、印刷技术是强调由于其兼容性大面积白衬衫和工业大规模生产。可以通过旋转涂布印刷技术,精密卷绕对位印刷、丝网印刷、凹版印刷和喷墨印刷。在这些老牌印刷技术,喷墨印刷是最有趣的方法之一。可在预制的过程,没有任何可以直接存款墨水材料设计模式后基板以现场方式(10]。与其他解决方案相比,印刷流程,喷墨印刷墨水可以减少材料消耗drop-on-demand设计。它还克服了传统接触和pattern-transferring问题。此外,高分辨率喷墨打印技术已经证明1μ米或更少(11,12]。因此,有机材料与纳米线,纳米粒子,nanocrystal-polymer复合材料已经成功地用于实现有机电子设备通过喷墨打印过程(13- - - - - -16]。

另一方面,有机电子的主要障碍,如OFET,克服电特性。例如,特点是改善晶体管开关比,阈值电压,晶体管跨导。为了解决这些,先前的研究已经提出并证明工作。例如,自组织层(17]或自组装单层(山姆)18- - - - - -20.)曾增强流动性;电极的表面改性13)已经被用于减少接触电阻;和混合有机材料10)被用来增加稳定性。在各种方法提高OFET的电特性,有机半导体的复合和碳纳米结构是有吸引力的,因为这些材料之间的高兼容性。例如,碳纳米管添加到有机半导体形成复合材料作为导电有机半导体之间的桥梁21- - - - - -24]。这可以用来改善场效应迁移率。因为CNT的降水,然而,先前提出的碳纳米管的方法与喷墨打印技术无法实现的。因此,有必要开发一种方法兼容喷墨印刷利用优势。

在这工作,聚(3-hexylthiophene) (P3HT)包含碳纳米颗粒(cnp)作为有机半导体材料。cnp的悬浮能力给出了可行性与喷墨打印技术实现。利用这个开发具有CNP / P3HT混合半导体材料、流动性和晶体管跨导实验可以提高10倍。

2。实验

200纳米热氧化的p型硅片是用作基质在这工作。形成了源/漏电极,20 nm Cr和200 nm盟是沉积在顶部的热氧化物通过蒸发。此外,氧化物晶片的背面是蚀刻BHF银行公开p型硅衬底。和门接触是由沉积20 nm Cr BHF银行蚀刻后和200 nm盟。另一方面,CNP / P3HT半导体混合材料是由在不同浓度(0、0.1、1、10 wt。%对P3HT)。在特定的,cnp (Qf-Nano科技有限公司,台湾,模型:GF-PHG-1P)与不同的权重被添加到P3HT(西格玛奥德里奇)解决方案,形成混合材料在不同浓度。与此同时,P3HT的解决方案是0.3 wt。% P3HT溶解在对二甲苯。应该注意的是,氮的CNP / P3HT混合解决方案准备手套箱(H2O < 1 ppm和O2< 1 ppm),搅拌1小时的电炉在90°C。

之前沉淀CNP / P3HT semiconductor-composite材料用不同浓度、底物与制作电极治疗O2等离子体(Harrick等离子体pdc - 001, 10.2 w)为2分钟。然后CNP / P3HT喷墨印刷电极的顶部形成OFET结构在大气条件下相对湿度(RH)维持在20%。印刷过程后,打印CNP / P3HT半导体层是治愈70°C 1小时10分钟退火在150°C,在氮气炉。在最后一步完成设备制造、环氧(海鑫汉有限公司)是涂布设备作为保护层。在130°C这个保护层是治愈30分钟在真空炉。装配式喷墨打印设备的原理和图像如图所示1。在特定的通道长度和通道宽度捏造ofet的40岁μ米和800μm,分别。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图1
(a)的横截面示意图表示具有ofet, (b)、(c)和(d)显微镜图像的原始P3HT的ofet CNP / P3HT = 0.1 wt。%,CNP / P3HT = 10 wt。分别为%。

评估捏造ofet的性能,ofet的电特性测量通过使用安捷伦4156 c半导体参数分析仪在阴森气息的条件下与RH < 25%。此外,XRD (PANalytical X ' Pert PRO)和红外光谱(那些时光,热Nicolet Nexus470)也进行分析CNP / P3HT复合材料属性。

3所示。结果和讨论

清晰地展示了晶体管的性能在不同的CNP / P3HT浓度,我D- - - - - - 每个OFET的特征可以如图所示2。基于数据2(一个)和2 (b)的漏极电流2plasma-treated pristine-P3HT OFET大于2折,没有等离子治疗。从数据2 (c),2 (d),2 (e),此外,该实验结果表明,不同OFET的开关比保持10以上4即使有不同的cnp浓度。确定开关比,我的最大的漏极电流D- - - - - - 被定义为在当前。相反,我的最小的漏极电流D- - - - - - 被定义为电流。此外,图3说明了我D- - - - - - 每个OFET的直接比较。从图获得的结果2显示了以下,CNP / P3HT OFET实验,治疗设备 血浆CNP /印刷前P3HT混合半导体。CNP / wt P3HT = 0。0.1 wt %。wt %, 1。%,10 wt。%,如图3,开关比3.4×104,8.2×104,1.6×104和4.8×104,分别。此外,阈值电压,Vth,我也可以提取D1/2- - - - - - 设备是有偏见的线性区域。它被确定为拟合线的外推拦截与漏极电流为零。这个方法后,阈值电压8,9.5,13和15 V,分别。最后,平均场效应迁移率是确定饱和区域( =−100 v)。利用上述Vth提取和饱和电流方程,可以计算出平均流动。每个OFET的流动计算是0.0014,0.0016,0.0017,和0.0060厘米2分别/ Vs。这些结果可以进一步总结表1。

表1
不同ofet的实验结果。
(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
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(e)
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图2
我的D- - - - - - 装配式ofet。(一)原始P3HT没有啊2等离子体处理;(b)原始P3HT O2等离子体处理;(c) CNP / P3HT = 0.1 wt。与O %2等离子体处理;(d) CNP wt / P3HT = 1。与O %2等离子体处理;(e) CNP / P3HT = 10 wt。与O %2等离子体处理。

图3
我输出特征D- - - - - - 在 =−60 v各种CNP / P3HT浓度。

从表1,我们可以找到原始P3HT OFET的阈值电压是转向消极 方向后啊2等离子体处理。此外,漏极电流的增加 等离子体处理也可以发现在这两个数字2和3。这个阈值电压变化和电流增加可能导致消除现有空间电荷在金电极表面的O2等离子体(25]。这个电荷被淘汰是因为轰击薄膜彭双浪x(Au-O乐队形成)。这个氧吸附作用在非盟的表面增加电子转移的功函数,因为从黄金到化学吸附的氧气。因此,空间电荷可以减少(26]。这些空间电荷限制电流通过接口。因此,阿2等离子体可以减少接触电阻通过删除空间费用。与此同时,O2等离子体还可以清洁电极表面通过消除碳水化合物,电流的屏障。此外,电极的表面潜力也修改O2等离子体。这可以促进P3HT的粘附分子,并提高了CNP / P3HT薄膜的晶体结构(27]。这两种作用可以提高载体扩散长度,在黄金/ P3HT的界面,减少阻力,增加ofet的漏极电流。另一方面,O2等离子体还指控的表面氧化物。这导致氧空位缺陷和氧化中残留的正电荷28]。这种正电荷形式相反的潜在对门口的潜力。因此,ofet的阈值电压是转向消极 方向后啊2等离子体处理。

添加CNP在P3HT的影响,从表1,阈值电压从8 V转向15 V和流动性增强5倍,也就是说,从0.0014到0.0060厘米2/ Vs CNP浓度增加。这个阈值电压的变化是导致CNP / P3HT复合物的形成。比P3HT cnp以来更好的电导,附近有一个local-induced场cnp作为外部电场。这个局部电场可以增强由于CNP的曲率(22]。因此,有效电场周围CNP大于门电压产生的电场。因此,阈值电压是朝着积极的 。此外,它可以观察到,目前不会显著增加前CNP数量增加到一个临界浓度。这种临界浓度会导致CNP的渗透。和CNP渗流产生额外的传导路径和提高当前的制造设备。因此,承运人运输可以增强不可耻的开关比之前CNP浓度大于临界渗透浓度。

进一步了解细节发达CNP / P3HT混合半导体材料,扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)进行测量。不同浓度的SEM照片CNP / P3HT如图4。通过图4CNP / P3HT的颗粒直径约为几百纳米。与CNP的平均直径相比,也就是说,35 nm,很明显,CNP聚合发生即使CNP / P3HT混合解决方案是ultrasonicated之前打印。这些扫描电镜照片也显示CNP / P3HT复合物的形成。应该注意的是,聚合成为切断在10 wt. %的浓度。这导致了替代CNP聚合形成的传导路径。

(一)
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(c)
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图4
不同浓度的CNP / P3HT的SEM图像混合解决方案(一个)原始P3HT;(b) CNP / P3HT = 0.1 wt. %;(c) / P3HT = 1 wt. %;(d) CNPP3HT = 10 wt. %。

同时,x射线衍射(XRD)测试是用于研究的结晶行为不同浓度的CNP / P3HT混合材料。这个结果可以显示在图5。在原始P3HT的薄膜中,(100)反射的强度是导致层状层结构。周围的相对弱峰(101)是引起 跨链堆积。很明显,原始P3HT组织良好的晶体结构。随着CNP / P3HT的比率增加从0.1 wt。10 wt %。% (100)x射线衍射峰值减少。这一结果表明,cnp影响P3HT分子排列和摧毁P3HT的晶体结构。这个结果可以清楚地显示在图4CNP聚合是无序的。


图5
x射线衍射图像的原始CNP / P3HT和不同CNP浓度。

理解材料属性通过焊接结构,红外光谱是用来研究CNP / P3HT复杂,如图所示6。它显示了强吸收波段2956,2925,2855厘米−1,这意味着脂肪族碳氢键P3HT的拉伸。随着CNP / P3HT的浓度的增加,吸收峰仍然没有新的吸收峰出现。换句话说,没有额外的键通过增加cnp的形成。因此,没有结合形成中CNP / P3HT复杂。在前面的研究工作(24),化学功能化多层碳纳米管(热合)形成P3HT-grafted-MWCNTs (g-MWCNTs)来提高载流子迁移率通过建立化学键的电荷转移。与先前的研究工作相比,CNP / P3HT复合物开发这项工作促进载流子迁移率没有成键形成CNP和P3HT之间。这将导致减少成本和复杂性的主要优势准备材料。


图6
红外光谱图像的原始CNP / P3HT和不同CNP浓度。

一般来说,晶体结构的混乱会导致载流子迁移率下降。此外,没有化学键的形成在CNP / P3HT复杂。换句话说,中国出版集团之间的直接载体运输和P3HT不能提升中CNP / P3HT复杂。由于更少的选择在低浓度的CNP / P3HT传导路径,即0.1 wt。wt %和1。%,CNP应该降低漏电流和有效流动。然而,我们的实验结果表明一个增强载流子迁移率与CNP浓度的增加。这个结果可以导致局部领域增强诱导CNP / P3HT复杂[22]。此外,P3HT的空穴注入势垒可以减少通过添加碳纳米结构(29日]。因此,发达ofet的总体性能增强利用CNP / P3HT半导体层。此增强功能可以显示为如表所示的跨导的改进2。应该注意的是,这个tranconductance从我D1/2- - - - - - 曲线。跨导可以确定 =−20 V使用线性区域漏极电流方程。

表2
实验发达ofet的跨导。

4所示。结论

总之,我们已经检查了CNP / P3HT混合半导体材料具有ofet。随着CNP / P3HT浓度增加,每个捏造OFET的有效载流子迁移率增加。这种载流子迁移率增强是8折之间的比较原始P3HT没有啊2等离子体处理和CNP / P3HT = 10 wt. %。同时,捏造ofet的开关比保持10以上4。基于扫描电镜的观察、x射线衍射和红外光谱,这个改进可以导致了局部场增强和空穴注入降低CNP / P3HT复合物。这项工作提供了一个低成本和有效的喷墨打印技术在半导体材料的有机电子的发展。

确认

作者要感谢林Yi-Jun台湾纺织研究所博士她的建议在材料实验。这项工作是由国家科学基金会(批准号nc 98 - 2218 - e - 002 - 042, NSC - 002 - 139 - 98 - 2221 e, NSC 98 - 2627 - e - 002 - 003,和nsc99 - 2911 i - 002 - 001)。