xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Οργανικά Τρανζίστορ Με Χρήση Υδατοδιαλυτών
Φθαλοκυανινών Μετάλλων Ως Ενεργό Κανάλι
Χαϊδόγιαννος Γ. 1* , Πετράκη Φ. 2 , Γλέζος Ν. 1 , Κέννου Σ. 2 και Nešpůrek S. 3
1
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγία Παρασκευή, GR 15310, Ελλάδα
2
Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα, GR 26504, Ελλάδα
3
Institute of Macromolecular Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, 16206, Prague 6, Czech Republic
* Ηλεκτρονική Διεύθυνση: g.chaidogiannos@imel.demokritos.gr
Σε αυτή την εργασία, μελετάται η κατηγορία των αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων (MePC) και των υδατοδιαλυτών
σουλφονικών αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων με νάτριο (metal phthalocyanine sulfonate sodium salts – MeS x PC) ως
υποψηφία υλικά για p-τύπου κανάλια στα οργανικά τρανζίστορ. Και τα δύο είδη έχουν το προσόν της χημικής και θερμικής
σταθερότητας (παραμένουν σταθερά μέχρι τους 400°C, εύκολα εξαχνούμενα). Οι ευκινησίες πεδίου των MePC στις δομές
τρανζίστορ είναι περίπου 0.02 cm 2 V -1 s -1 (για CuPC). Πρόσφατα αναφέρθηκε μάλιστα μια τιμή ευκινησίας 1 cm 2 V -1 s -1 στην
περίπτωση μονοκρυσταλλικής CuPC [1]. Επιπλέον, οι MePC παρουσιάζουν ενδιαφέρον για ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως οι
χημικοί αισθητήρες και τα ηλιακά κύτταρα [2].
Οι MePC αποτίθενται με εξάχνωση σε θάλαμο υπερυψηλού κενού. Όσον αφορά τα σουλφονικά άλατα φθαλοκυανινών
μετάλλων με νάτριο, επιλέχθηκαν λόγω της ενισχυμένης διαλυτότητάς τους έναντι των μη σουλφονικών αντιστοίχων τους,
και είτε προκύπτουν από σύνθεση (για Me=Ni, Co, Zn or Al) ή με προμήθεια από την Aldrich Co (για Me=Cu). Πρόκειται
για καινοτόμα υλικά, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή OTFT με πολύ λιγότερη προσπάθεια. Οι
διαδικασίες είναι πολύ απλούστερες και οι αντίστοιχες τιμές ευκινησίας πολύ υψηλότερες. Στην περίπτωση αυτή, το ενεργό
στρώμα προετοιμάζεται με περιστροφή (spin-coating) από υδατικά διαλύματα MeS x PC σε θερμοκρασία δωματίου. Κατόπιν
τα δείγματα ξηραίνονται σε θερμοκρασία 50ºC για 20 min.
Η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων φθαλοκυανινών υπό μελέτη είναι βασισμένη στην ηλεκτρική συμπεριφορά τους ανάλογα
με α) τη μέθοδο απόθεσης, β) τον τύπο του μετάλλου και γ) το είδος των υποκαταστατών. Ο στόχος είναι να επιλεχτεί ο
τύπος υλικού και η διαδικασία παρασκευής του φιλμ που θα παρέχει το τρανζίστορ με τη βέλτιστη απόδοση.
Προκαταρκτικές δοκιμές με χρήση του Al(OH)PC(SO 3 Na) x ως οργανικό κανάλι έχουν δώσει ελπιδοφόρα αποτελέσματα [3].
Το πρώτο σύστημα που εξετάζεται είναι της NiPC και μελετάται ως αναφορά. Το Σχήμα 1 παρουσιάζει ένα σύνολο
ηλεκτρικών χαρακτηριστικών για διάταξη με ενεργό κανάλι 50 nm. Η ευκινησία επίδρασης πεδίου υπολογίζεται στα
10 -5 cm 2 V -1 s -1 , μια τιμή που συμφωνεί με βιβλιογραφικές αναφορές [4] και είναι αποδεκτή για τις εφαρμογές στις οποίες τα
υλικά αυτά απευθύνονται.
Id (nA)
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
Vg=0
Vg=-5
Vg=-10
Vg=-15
Vg=-20
Vg=-25
Vg=-30
0
0 -10 -20 -30 -40 -50
Vd(V)
Id (nA)
-50
-40
-30
-20
-10
Id = f(Vd=Vg)
sqrt(Id)
0
0,0
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30
Vg (V)
2,5x10 -4
2,0x10 -4
1,5x10 -4
1,0x10 -4
5,0x10 -5
sqrt(Id) (A 1/2 )
(α)
(β)
Σχήμα 1. (α) Εξάρτηση του ρεύματος Ι d από την τάση V d ενός OFET με 50 nm φιλμ NiPC, αναλογία W/L 23275 και
διηλεκτρικό SiO 2 πάχους 82 nm, αποτεθειμένου σε θερμοκρασία υποστρώματος 100ºC. (β) Εξάρτηση του ρεύματος Ι d και
της τετραγωνικής ρίζας του από την τάση πύλης V g του δείγματος. Η υπολογιζόμενη τιμή ευκινησίας πεδίου είναι 10 -5
cm 2 V -1 s -1 .
Στην περίπτωση των σουλφονικών αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων με νάτριο λαμβάνονται υψηλότερες τιμές ευκινησίας.
Η ένταση του ρεύματος που ρέει μεταξύ πηγής (source) και αποδέκτη (drain) αυξάνεται όσο η τιμή της πύλης (gate) γίνεται
πιο αρνητική, υποδεικνύοντας χαρακτηριστική αγωγιμότητα p-τύπου. Δεδομένου ότι οι MeS x PC δεν μπορούν να
εξαχνωθούν, αφού το υλικό τείνει να καίγεται πριν εξατμιστεί, δεν κατέστη δυνατό να παρασκευαστούν OFETs με αυτές ως
ενεργό κανάλι.
Οι τιμές ευκινησίας που προκύπτουν για ολόκληρη την κατηγορία που έχει ερευνηθεί παρουσιάζονται στον πίνακα 1.
Τα φιλμ των MeS x PC που ετοιμάστηκαν με spin-coating μεταφέρθηκαν σε ένα σύστημα εξαιρετικά υψηλού κενού για
στοιχειομετρική ανάλυση με τη βοήθεια φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (XPS), βλ. Πίνακα 2.
64