Eletrostaticamente

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16009 (2022) Citar este artigo

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Transistores orgânicos de película fina (OTFTs) são blocos de construção promissores de dispositivos eletrônicos flexíveis para impressão. Semelhante aos FETs inorgânicos, os OTFTs são heteroestruturas que consistem em metais, isolantes e semicondutores, nas quais interfaces em nanoescala entre diferentes componentes devem ser projetadas com precisão. Porém, os OTFTs utilizam metais nobres, como o ouro, como eletrodos, o que tem sido um gargalo em termos de redução de custos e baixa carga ambiental. Neste estudo, demonstramos que eletrodos de carbono à base de grafite podem ser depositados e padronizados diretamente em um filme fino monocristalino orgânico através de revestimento por pulverização eletrostática. Os presentes OTFTs exibiram mobilidades de efeito de campo razoavelmente altas de até 11 cm2 V-1 s-1 para o tipo p e 1,4 cm2 V-1 s-1 para o tipo n, sem deterioração significativa durante os processos de pulverização eletrostática. Também demonstramos dois marcos significativos do ponto de vista da ciência dos materiais: um circuito complementar, um inversor que consiste em OTFTs do tipo p e n e um OTFT operável sem metal composto de materiais totalmente à base de carbono. Estes resultados constituem um passo importante no desenvolvimento de circuitos integrados impressos sem metal.

Os transistores de filme fino (TFTs) são um dos blocos de construção mais importantes dos circuitos eletrônicos 1,2,3, onde heterointerfaces entre vários componentes, como metais, semicondutores e isoladores, desempenham papéis predominantes em seu desempenho . Os processos de fabricação de TFT exigem a deposição sequencial desses componentes, o que provavelmente prejudicará a produção confiável de dispositivos integrados. Para TFTs com semicondutores orgânicos processáveis ​​em solução (OSCs), em particular, a engenharia de heterointerface pode ser mais prejudicial porque deve ser compatível com a tecnologia de impressão . Com desenvolvimentos recentes em química10,11,12,13,14 e engenharia de dispositivos15,16,17,18,19,20 relacionados à eletrônica impressa, o desempenho dos OTFTs processados ​​em solução tem melhorado. Em particular, para filmes finos monocristalinos constituídos por algumas monocamadas de OSCs, foram alcançadas mobilidades de efeito de campo razoavelmente altas> 10 cm2 V-1 s-1 com excelente estabilidade ambiental . O processo de fabricação aprimorado permite a produção de grandes membranas cristalinas com coberturas de área de até 100 cm2, o que facilita ainda mais a produção ideal de circuitos integrados confiáveis16.

Geralmente, os OTFTs requerem a deposição sequencial de eletrodos metálicos no topo ou na periferia dos filmes finos OSC. Eletrodos de ouro são frequentemente empregados como eletrodos de fonte, dreno e porta. Existem várias razões para isso: (1) a função de trabalho do ouro (~ 5,0 eV) provavelmente corresponde à borda da banda de valência (equivalente ao orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) da maioria dos OSCs do tipo p), (2) alta eletrodos de ouro de alta qualidade podem ser depositados por deposição a vácuo e (3) eletrodos de ouro possuem alta estabilidade ambiental, embora tenham a forma de filmes ultrafinos. Em particular, sabe-se que a qualidade da interface ouro/OSC domina as propriedades de injeção de transportador e a resistência de contato interfacial . Embora eletrodos baseados em polímeros condutores processados ​​em solução, como PEDOT:PSS, tenham sido estudados anteriormente23, há estudos limitados sobre substitutos para eletrodos de ouro, o que é um gargalo em termos de redução de custos e baixa carga ambiental em eletrônicos impressos e flexíveis.

Neste estudo, demonstramos que o carbono à base de grafite pode ser depositado e padronizado diretamente em filmes finos OSC monocristalinos através de revestimento eletrostático por pulverização e funciona como um eletrodo de contato eficiente para OTFTs do tipo p e n. Os OTFTs exibem excelentes características de transistor com altas mobilidades de efeito de campo de até 11 cm2 V−1 s−1 para tipo p e 1,4 cm2 V−1 s−1 para OTFTs tipo n, uma tensão de ativação próxima de zero , histerese insignificante e uma relação de corrente liga-desliga de aproximadamente 106, que são comparáveis ​​às dos OTFTs com contato de ouro . Além disso, um inversor complementar composto por OTFTs do tipo p e n foi operado com sucesso em uma tensão fornecida (Vdd) de 5–15 V, que é um dos primeiros circuitos complementares orgânicos a ser operado com eletrodos de carbono à base de grafite. Também operamos um OTFT sem metal compreendendo apenas materiais à base de carbono, como OSC, eletrodos de contato/gate de carbono, isoladores de polímeros orgânicos e substratos de polímeros orgânicos. Os resultados serão a base para o desenvolvimento de circuitos integrados complementares impressos, sem metal.