정전기적으로

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16009(2022) 이 기사 인용

1910 액세스

70 알트메트릭

측정항목 세부정보

유기박막트랜지스터(OTFT)는 유연한 인쇄 가능 전자 장치의 유망한 구성 요소입니다. 무기 FET와 유사하게 OTFT는 금속, 절연체, 반도체로 구성된 이종 구조로, 서로 다른 구성 요소 간의 나노 규모 인터페이스를 정밀하게 설계해야 합니다. 그러나 OTFT는 금과 같은 귀금속을 전극으로 사용하기 때문에 비용 절감과 낮은 환경 부하 측면에서 걸림돌이 되어 왔습니다. 본 연구에서는 정전 스프레이 코팅을 통해 흑연 기반 탄소 전극을 유기 단결정 박막에 직접 증착하고 패턴화할 수 있음을 보여줍니다. 현재의 OTFT는 정전 스프레이 공정 동안 심각한 열화 없이 p형의 경우 최대 11cm2V−1s−1, n형의 경우 1.4cm2V−1s−1의 합리적으로 높은 전계 효과 이동도를 나타냈습니다. 우리는 또한 재료 과학의 관점에서 두 가지 중요한 이정표인 보완 회로, p형 및 n형 OTFT로 구성된 인버터, 완전 탄소 기반 재료로 구성된 작동 가능한 무금속 OTFT를 보여줍니다. 이러한 결과는 인쇄 금속이 없는 집적 회로의 추가 개발에서 중요한 단계를 구성합니다.

박막 트랜지스터(TFT)는 전자 회로의 가장 중요한 빌딩 블록 중 하나이며 금속, 반도체 및 절연체와 같은 다양한 구성 요소 간의 헤테로 인터페이스가 성능에서 주된 역할을 합니다4,5,6,7. TFT 제조 공정에서는 이러한 구성 요소의 순차적 증착이 필요하며 이는 통합 장치의 안정적인 생산을 방해할 가능성이 있습니다. 특히 용액 처리 가능한 유기 반도체(OSC)가 포함된 TFT의 경우 헤테로인터페이스 엔지니어링은 인쇄 기술과 호환되어야 하기 때문에 더욱 해로울 수 있습니다8,9. 인쇄 전자와 관련된 화학10,11,12,13,14 및 장치 공학15,16,17,18,19,20의 최근 발전으로 용액 처리 OTFT의 성능이 향상되었습니다. 특히, 몇 개의 OSC 단층으로 구성된 단결정 박막의 경우 탁월한 환경 안정성과 함께 10 cm2 V−1 s−1 이상의 상당히 높은 전계 효과 이동도가 달성되었습니다15,16,17,21,22. 개선된 제조 공정을 통해 최대 100cm2의 면적 범위를 갖는 대형 결정질 멤브레인을 생산할 수 있으며, 이는 신뢰할 수 있는 집적 회로의 이상적인 생산을 더욱 촉진합니다16.

일반적으로 OTFT는 OSC 박막의 상단이나 주변에 금속 전극을 순차적으로 증착해야 합니다. 금 전극은 종종 소스, 드레인 및 게이트 전극으로 사용됩니다. 이에 대한 여러 가지 이유가 있습니다: (1) 금의 일함수(~5.0eV)가 가전자대 가장자리(대부분의 p형 OSC의 HOMO(최고 점유 분자 궤도)와 동일)와 일치할 가능성이 높습니다. (2) 높음 진공증착법으로 고품질의 금전극을 증착할 수 있으며, (3) 금전극은 초박막 형태이면서도 환경안정성이 높다. 특히, 금/OSC 인터페이스의 품질은 캐리어 주입 특성과 계면 접촉 저항을 지배하는 것으로 알려져 있습니다15,21. PEDOT:PSS와 같은 용액 처리 전도성 폴리머를 기반으로 한 전극이 이전에 연구되었지만 인쇄된 유연한 전자 장치의 비용 절감 및 낮은 환경 부하 측면에서 병목 현상이 되는 금 전극 대체품에 대한 연구는 제한적입니다.

이 연구에서 우리는 흑연 기반 탄소가 정전 스프레이 코팅을 통해 단결정 OSC 박막에 직접 증착 및 패턴화될 수 있으며 p형 및 n형 OTFT 모두에 대한 효율적인 접촉 전극으로 작동한다는 것을 보여줍니다. OTFT는 p형의 경우 최대 11 cm2 V−1 s−1, n형 OTFT의 경우 최대 1.4 cm2 V−1 s−1의 높은 전계 효과 이동도, 거의 0에 가까운 턴온 전압으로 뛰어난 트랜지스터 특성을 나타냅니다. , 무시할 수 있는 히스테리시스 및 약 106의 온-오프 전류 비율을 가지며 이는 금 접점 OTFT14,16,24와 비슷합니다. 또한, p형 및 n형 OTFT로 구성된 상보형 인버터는 공급 전압(Vdd) 5~15V에서 성공적으로 작동했는데, 이는 흑연 기반 탄소 전극으로 작동되는 최초의 유기 상보 회로 중 하나입니다. 우리는 또한 OSC, 탄소 접촉/게이트 전극, 유기 고분자 절연체 및 유기 고분자 기판과 같은 탄소 기반 재료로만 구성된 무금속 OTFT를 운영했습니다. 그 결과는 인쇄되고 비금속이며 보완적인 집적 회로의 추가 개발을 위한 기초가 될 것입니다.