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可溶性并五苯前体



利用可溶性并五苯前驱体制备有机场效应晶体管器件

为了在有机场效应晶体管(OFET)等器件中引入未官能化的并五苯,可溶性并五苯前体是至关重要的材料,其在加热(约200°C)时容易转化为并五苯。下面描述溶液沉积底栅、底接触天然并五苯晶体管的制造过程,并介绍了晶体管的代表性能特征。

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制造工艺

使用具有厚度为250nm的热生长SiO2的高掺杂n型Si晶片(电阻<0.01Ω-cm)作为衬底,其分别形成晶体管的背栅和栅极电介质。用50W的氧等离子体(Technics PlanarEtchII-350等离子体发生器)处理这些2x2cm2晶片10分钟。然后立即用HMDS(1,1,1,3,3,3-六甲基二硅氮烷)对衬底进行表面处理。HMDS改变SiO2表面和接触角以改善晶体管特性。将含有HMDS(5mL)的培养皿与待表面处理的基质一起放置在真空干燥器中。用室内真空泵送干燥器,并将基材暴露于HMDS蒸汽中20分钟。然后通过电子束蒸发通过荫罩在衬底上沉积Au的源极和漏极。

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将13,6-N-亚磺酰基乙酰胺并五苯前体溶于氯仿(15 mg/mL)中,并通过0.2μm PTFE注射器过滤器过滤。然后将十分之几毫升的溶液放置在每个基板上。将基材以1500rpm(初始斜坡速率为500rpm/秒)旋转1分钟。然后在氮气气氛手套箱中,在200°C的预热热板上对前体薄膜进行1分钟的热处理,以将并五苯前体转化为并五苯。所得到的并五苯薄膜具有100nm的厚度。制造细节如图1所示。




图1. 溶液沉积过程示意图,包括旋涂,然后将并五苯/N-亚磺酰基乙酰胺加合物(红色)热转化为并五苯(蓝色)薄膜晶体管。


电学性质

使用Agilent 4156C半导体参数分析仪和Karl Suss PM5探针站在环境气氛下进行器件的电表征。所制造的晶体管的代表性IV特性如图2所示。


图2. (A)对于由金(15-20nm)金属触点和沟道尺寸L=160μm和W=1.5mm制造的并五苯晶体管,在-50 V的恒定漏极-源极电压下,漏极电流(ID)与源极-漏极电压(VDS)和(B)漏极电流与源极栅极电压(VGS)的关系。迁移率为0.189 cm2/Vs,电流调制比(Ion/Ioff)为4.4×105,阈值电压(VT)为-26.8 V。


使用平方律方程在饱和状态下计算迁移率(μ)和阈值电压(VT):




其中,ID是漏极电流,VGS是栅极-源极电压,W是沟道宽度,L是沟道长度,μ是迁移率,VT是阈值电压。通过该程序可实现约0.1-0.2 cm2?V-1?s-1的流动性。如先前报道的1,2,SiO2/并五苯界面在器件特性中起着非常重要的作用,并且通过气相HMDS表面处理,所报道的迁移率可以进一步提高到~1 cm2?V-1?s-1。

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除了上述使用的可溶性并五苯前体外,也可选择其他前体,如并五苯-N-亚磺酰基-叔丁基氨基甲酸酯,其能够在130°C下短暂加热之前,在光酸发生器的存在下使用紫外光进行光图案化。将高纯度并五苯引入有机电子器件的另一种方法是使用TIPS并五苯,这是一种可溶性并五苯分子。总之,高性能器件既可以由可溶性并五苯衍生物制成,也可以由可溶性的并五苯前体制成。这些方法至关重要,因为它们使研究人员能够克服并五苯的不溶性,并将高迁移率的并五苯纳入他们的终端设备中。


参考文献

1.?Kagan CR, Afzali A, Graham TO. 2005. Operational and environmental stability of pentacene thin-film transistors. Appl. Phys. Lett.. 86(19):193505. https://doi.org/10.1063/1.1924890

2.?Afzali A, Dimitrakopoulos CD, Breen TL. 2002. High-Performance, Solution-Processed Organic Thin Film Transistors from a Novel Pentacene Precursor. J. Am. Chem. Soc.. 124(30):8812-8813. https://doi.org/10.1021/ja0266621


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