Аннотация
Пентацен, органическая молекула, является перспективным материалом для высокопроизводительных полевых транзисторов благодаря своей высокой мобильности носителя заряда по сравнению с обычными полупроводниковыми приборами. Однако подвижность носителя заряда сильно зависит от молекулярной ориентации пентацена в активном слое устройства, что трудно исследовать с помощью стандартных методик в реальном устройстве. Рамановское рассеяние, с другой стороны, является техникой высокого разрешения, чувствительной к молекулярной ориентации. В данной работе мы исследовали ориентационное распределение пентаценовых молекул в реальных транзисторных устройствах с помощью поляризационно-зависимой комбинационной спектроскопии и коррелировали эти результаты с характеристиками устройства. Это исследование может быть использовано для понимания распределения молекулярной ориентации пентацена в различных электронных устройствах и, таким образом, поможет в дальнейшем улучшении их характеристик.
Введение
Органические полевые транзисторы признаны важными устройствами для их применения в нескольких электронных системах, таких как цифровые экраны , электронные бумаги, пластиковые цепи, ценники, энергонезависимые пластиковые запоминающие устройства и датчики, благодаря их малому весу, низкой стоимости производства, механической гибкости, а также большей мобильности носителей. Среди различных органических материалов пентацен широко исследован как перспективный органический материал для транзисторных устройств и находит применение в различных устройствах, таких как запоминающие устройства, амбиполярные транзисторные устройства и синаптические устройства. Мобильность носителя пентацена зависит от различных факторов, таких как молекулярная ориентация, размер зерна внутри устройства и наличие примесей.
Молекулярная ориентация оказывает глубокое влияние на транспорт заряда и определяет мобильность носителя заряда электронных устройств. Любая разница в ориентации между соседними пентаценовыми молекулами ухудшила бы взаимодействие между ними электронов π, что впоследствии повлияло бы на поток носителей заряда внутри устройства. Хотя существуют обширные исследования влияния примесей и морфологии пентаценовой пленки на характеристики устройства о влиянии молекулярной ориентации на характеристики транзисторного устройства не сообщалось. Тем не менее, очень важно понять взаимосвязь между ориентацией пентаценовых молекул и электронными свойствами транзисторного устройства для улучшения характеристик транзисторных устройств на основе пентацена.
Рамановская спектроскопия признана мощным методом исследования структурных особенностей органических молекул с достаточно высоким пространственным разрешением около 200~300 нм. Разрешение может быть дополнительно увеличено до нескольких нанометров за счет использования плазменных свойств металлического нанотипа в технологии комбинационной спектроскопии с усиленным наконечником. Рамановская спектроскопия также выгодна по сравнению с другими методами, поскольку некоторые молекулярно-колебательные режимы могут быть задействованы в первую очередь с использованием определенной поляризации падающего света, и поэтому рамановская спектроскопия может использоваться для исследования распределения ориентации различных молекул, включая пентацен.
- В традиционной комбинационной спектроскопии поляризационные измерения ограничиваются направлением, параллельным плоскости подложки, что обычно подавляют молекулярные колебания в направлении, перпендикулярном плоскости образца.
Однако в своих предыдущих исследованиях мы исследовали ориентацию молекул пентацена, стоящих близко к нормальной, на субстрате, используя уникальный контроль поляризации, при котором компонент падающего света может быть поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости субстрата. Мы использовали падающий свет с двумя различными поляризациями, а именно радиальной и азимутальной поляризацией, причем первая была перпендикулярна субстрату, а вторая - в направлении, параллельном субстрату. Молекула пентацена имеет в плоскости вибрационный режим, а именно режим B3g, на 1596 см-1, имеющий атомные смещения вдоль своей длинной молекулярной оси. Если молекулы пентацена стоят на субстрате, атомные смещения в режиме B3g будут направлены перпендикулярно субстрату. Поэтому интенсивность рамановского рассеяния в этом режиме была бы максимальной для падающего радиально поляризованного света, а для падающего азимутально поляризованного света она была бы минимальной.
С другой стороны, если молекулы пентацена лежат на подложке, то радиальная поляризация падающего света приведет к минимальной интенсивности рамановского рассеяния, а азимутальная поляризация падающего света - к максимальной интенсивности рамановского рассеяния в режиме B3g. Поэтому, если молекулы пентацена ориентированы под определенным углом относительно нормы, соотношение интенсивностей рамановского рассеяния для режима B3g при этих двух поляризациях даст информацию об угле наклона молекул пентацена. По сравнению с рамановской спектроскопией, другие существующие методы характеризации имеют ряд ограничений. Например, атомно-силовая микроскопия (АФМ) может быть использована для исследования морфологии молекул, но не их ориентации. Информация о молекулярной ориентации пентацена также может быть получена методом рентгеновской дифракционной спектроскопии (РРД), однако этот метод имеет очень низкое пространственное разрешение, что дает лишь среднее значение ориентации на большой площади и поэтому не подходит для исследования влияния молекулярной ориентации на подвижность носителя. Кроме того, этот метод не может быть применен для изучения неупорядоченной части выборки.
Поэтому комбинационная спектроскопия является единственным инструментом, который может предоставить нам информацию о неразрушающей молекулярной ориентации при достаточно высоком пространственном разрешении в транзисторном устройстве.
Результаты и обсуждение
Для подтверждения работоспособности электроники мы подключили изготовленное устройство с напряжением источника затвора (VG) и дренажным напряжением источника (VD), как показано на и измерили электрические свойства изготовленных устройств OFET. Кривая передачи и выходные характеристики устройств для сублимированных и не сублимированных пентаценовых транзисторов. Передаточные кривые устройств контролировались путем изменения значения VG с 1,0 В на -3 В при сохранении значения VD на уровне -3 В. Мы изменили VG с -1,0 В на -3 В с шагом 0,5 В и контролировали дренажный ток (ID) транзисторного устройства как функцию VD для сублимированных и несублимированных устройств, соответственно. Расчетные значения подвижности несущих для устройства сублимированных и не сублимированных пятиценовых транзисторов составили 0,603 см2/Вс и 0,0352 см2/Вс, соответственно. Таким образом, было установлено, что величина несущей способности сублимированного устройства в 17,1 раза выше, чем у него.
Оставайтесь с каналом Наука 1.0 , дальше только интереснее.