静電気的に

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16009 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

有機薄膜トランジスタ (OTFT) は、フレキシブル印刷可能電子デバイスの有望な構成要素です。 無機 FET と同様に、OTFT は金属、絶縁体、半導体で構成されるヘテロ構造であり、異なるコンポーネント間のナノスケールの界面を正確に設計する必要があります。 しかし、OTFTは金などの貴金属を電極として使用するため、コスト削減や環境負荷の低減の点でネックとなっていました。 この研究では、グラファイトベースの炭素電極を静電スプレーコーティングによって有機単結晶薄膜上に直接堆積およびパターン化できることを実証します。 現在の OTFT は、p 型で最大 11 cm2 V-1 s-1、n 型で 1.4 cm2 V-1 s-1 という適度に高い電界効果移動度を示し、静電スプレープロセス中に重大な劣化はありませんでした。 また、材料科学の観点から見た 2 つの重要なマイルストーン、つまり相補型回路、p 型および n 型 OTFT で構成されるインバーター、および完全に炭素ベースの材料で構成される動作可能なメタルフリー OTFT を実証します。 これらの結果は、プリントメタルフリー集積回路のさらなる開発における重要な前進となります。

薄膜トランジスタ (TFT) は電子回路の最も重要な構成要素の 1 つであり 1、2、3、金属、半導体、絶縁体などのさまざまなコンポーネント間のヘテロ界面がその性能において主要な役割を果たします 4、5、6、7。 TFT の製造プロセスでは、これらのコンポーネントを順次堆積する必要があるため、集積デバイスの信頼性の高い製造が妨げられる可能性があります。 特に、溶液処理可能な有機半導体 (OSC) を備えた TFT の場合、ヘテロ界面エンジニアリングは印刷技術と互換性がある必要があるため、より有害になる可能性があります 8,9。 プリンテッドエレクトロニクスに関連する化学10、11、12、13、14およびデバイス工学15、16、17、18、19、20の最近の発展により、溶液処理されたOTFTの性能が向上しています。 特に、数個の OSC 単層からなる単結晶薄膜では、優れた環境安定性を備えた 10 cm2 V-1 s-1 を超える適度に高い電界効果移動度が達成されています 15、16、17、21、22。 改善された製造プロセスにより、最大 100 cm2 の面積をカバーする大きな結晶膜の製造が可能になり、信頼性の高い集積回路の理想的な製造がさらに容易になります 16。

一般に、OTFT では、OSC 薄膜の上部または周囲に金属電極を順次堆積する必要があります。 金電極は、ソース、ドレイン、ゲート電極としてよく使用されます。 これにはさまざまな理由があります: (1) 金の仕事関数 (~ 5.0 eV) は価電子帯端 (ほとんどの p 型 OSC の最高被占分子軌道 (HOMO) に相当) と一致する可能性が高い、(2) 高い-高品質の金電極を真空蒸着法で成膜することができ、(3)金電極は極薄膜状であっても高い環境安定性を有します。 特に、金/OSC 界面の品質がキャリア注入特性と界面接触抵抗を支配することが知られています 15,21。 PEDOT:PSS などの溶液処理された導電性ポリマーに基づく電極はこれまでに研究されてきましたが 23、金電極の代替品に関する研究は限られており、これがプリントされたフレキシブルエレクトロニクスにおけるコスト削減と低環境負荷の点でボトルネックとなっています。

この研究では、グラファイトベースのカーボンが静電スプレーコーティングによって単結晶 OSC 薄膜上に直接堆積およびパターン化でき、p 型および n 型 OTFT の両方の効率的なコンタクト電極として機能することを実証します。 OTFT は、p 型 OTFT で最大 11 cm2 V-1 s-1、n 型 OTFT で 1.4 cm2 V-1 s-1 という高い電界効果移動度を備えた優れたトランジスタ特性を示し、ターンオン電圧はほぼゼロです。 、無視できるヒステリシス、および約 106 のオン/オフ電流比は、金コンタクト OTFT の値に匹敵します 14、16、24。 さらに、p 型および n 型 OTFT で構成される相補型インバーターが 5 ～ 15 V の供給電圧 (Vdd) で動作することに成功しました。これは、グラファイトベースの炭素電極で動作する最初の有機相補型回路の 1 つです。 また、OSC、カーボンコンタクト/ゲート電極、有機ポリマー絶縁体、有機ポリマー基板などのカーボンベースの材料のみで構成されるメタルフリーOTFTも動作させました。 この結果は、プリントされたメタルフリーの相補型集積回路のさらなる開発の基礎となるでしょう。