Électrostatiquement

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16009 (2022) Citer cet article

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Les transistors à couches minces organiques (OTFT) sont des éléments constitutifs prometteurs de dispositifs électroniques imprimables flexibles. Semblables aux FET inorganiques, les OTFT sont des hétérostructures constituées de métaux, d'isolants et de semi-conducteurs, dans lesquelles les interfaces à l'échelle nanométrique entre différents composants doivent être conçues avec précision. Cependant, les OTFT utilisent des métaux nobles, tels que l'or, comme électrodes, ce qui constitue un goulot d'étranglement en termes de réduction des coûts et de faible charge environnementale. Dans cette étude, nous démontrons que des électrodes de carbone à base de graphite peuvent être déposées et modelées directement sur un film mince organique monocristallin via un revêtement par pulvérisation électrostatique. Les OTFT actuels présentaient des mobilités par effet de champ raisonnablement élevées, allant jusqu'à 11 cm2 V−1 s−1 pour le type p et 1,4 cm2 V−1 s−1 pour le type n, sans détérioration significative lors des processus de pulvérisation électrostatique. Nous démontrons également deux étapes importantes du point de vue de la science des matériaux : un circuit complémentaire, un inverseur composé d'OTFT de types p et n, et un OTFT exploitable sans métal composé de matériaux entièrement à base de carbone. Ces résultats constituent une étape clé dans le développement ultérieur des circuits intégrés imprimés sans métal.

Les transistors à couches minces (TFT) sont l'un des éléments constitutifs les plus importants des circuits électroniques1,2,3, où les hétérointerfaces entre divers composants tels que les métaux, les semi-conducteurs et les isolants jouent un rôle prédominant dans leurs performances4,5,6,7. Les processus de fabrication des TFT nécessitent un dépôt séquentiel de ces composants, ce qui est susceptible d'entraver la production fiable de dispositifs intégrés. Pour les TFT dotés de semi-conducteurs organiques (OSC) traitables en solution, en particulier, l'ingénierie à hétérointerface peut être plus préjudiciable car elle doit être compatible avec la technologie d'impression8,9. Avec les développements récents en chimie10,11,12,13,14 et en ingénierie des dispositifs15,16,17,18,19,20 liés à l’électronique imprimée, les performances des OTFT traités en solution se sont améliorées. En particulier, pour les films minces monocristallins constitués de quelques monocouches d'OSC, des mobilités par effet de champ raisonnablement élevées > 10 cm2 V−1 s−1 avec une excellente stabilité environnementale ont été obtenues. Le processus de fabrication amélioré permet la production de grandes membranes cristallines avec une superficie allant jusqu'à 100 cm2, ce qui facilite encore la production idéale de circuits intégrés fiables16.

Généralement, les OTFT nécessitent un dépôt séquentiel d'électrodes métalliques soit sur le dessus, soit sur la périphérie des films minces OSC. Les électrodes en or sont souvent utilisées comme électrodes de source, de drain et de grille. Il y a plusieurs raisons à cela : (1) le travail d'extraction de l'or (~ 5,0 eV) correspond probablement au bord de la bande de valence (équivalent à l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) de la plupart des OSC de type p), (2) haute des électrodes en or de qualité supérieure peuvent être déposées par dépôt sous vide, et (3) les électrodes en or possèdent une stabilité environnementale élevée même si elles se présentent sous la forme de films ultra-minces. En particulier, la qualité de l’interface or/OSC est connue pour dominer les propriétés d’injection de porteurs et la résistance de contact interfaciale15,21. Bien que les électrodes basées sur des polymères conducteurs traités en solution, tels que PEDOT: PSS, aient été étudiées précédemment23, il existe peu d'études sur les substituts aux électrodes en or, ce qui constitue un goulot d'étranglement en termes de réduction des coûts et de faible charge environnementale dans l'électronique imprimée et flexible.

Dans cette étude, nous démontrons que le carbone à base de graphite peut être déposé et modelé directement sur des films minces OSC monocristallins via un revêtement par pulvérisation électrostatique et fonctionne comme une électrode de contact efficace pour les OTFT de type p et n. Les OTFT présentent d'excellentes caractéristiques de transistor avec des mobilités à effet de champ élevées allant jusqu'à 11 cm2 V−1 s−1 pour le type p et 1,4 cm2 V−1 s−1 pour les OTFT de type n, une tension d'activation proche de zéro. , une hystérésis négligeable et un rapport de courant marche-arrêt d'environ 106, comparables à ceux des OTFT à contact or14,16,24. De plus, un onduleur complémentaire composé d'OTFT de types p et n a été exploité avec succès à une tension fournie (Vdd) de 5 à 15 V, ce qui constitue l'un des premiers circuits complémentaires organiques à fonctionner avec des électrodes de carbone à base de graphite. Nous avons également exploité un OTFT sans métal comprenant uniquement des matériaux à base de carbone, tels que des OSC, des électrodes de contact/grille en carbone, des isolants en polymères organiques et des substrats en polymères organiques. Les résultats serviront de base au développement ultérieur de circuits intégrés imprimés, sans métal et complémentaires.