assuntos

Física aplicada

Dispositivos eletrônicos

Superfícies, interfaces e filmes finos

Abstrato

Dispositivos finos e ultra-flexíveis que podem ser fabricados em um processo que cobre uma grande área serão essenciais para a realização de aplicações eletrônicas vestíveis de baixo custo, incluindo displays dobráveis ​​e sensores médicos. A tecnologia de impressão será fundamental na fabricação desses novos dispositivos eletrônicos e circuitos; no entanto, a obtenção de dispositivos totalmente impressos em filmes ultra-flexíveis em grandes áreas tem sido tipicamente um desafio. Aqui nós relatamos em dispositivos de transistor de película fina orgânicos totalmente impressos e circuitos fabricados em filmes parylene-C de 1 μm de espessura com alta mobilidade de efeito de campo (1, 0 cm 2 V −1 s −1 ) e rápidas velocidades de operação (cerca de 1 ms ) com baixas tensões de operação. Os dispositivos eram extremamente leves (2 g m −2 ) e exibiam excelente estabilidade mecânica. Os dispositivos permaneceram operacionais mesmo sob pressão de compressão de 50% sem mudanças significativas em seu desempenho. Estes resultados representam um progresso significativo na fabricação de dispositivos e circuitos de transístores de película fina orgânicos totalmente impressos para utilização em aplicações electrónicas não intrusivas, tais como sensores vestíveis.

Introdução

Uma nova classe de tecnologia eletrônica extremamente leve, fina e flexível está atraindo a atenção de pesquisadores de todo o mundo. A evolução da eletrônica rígida, pesada e espessa para a nova eletrônica flexível atingiu o ponto em que a eletrônica 'imperceptível' e 'epidérmica' pode ser conectada a superfícies curvas e móveis, como a pele do corpo humano, sem qualquer preocupação para o usuário 1, 2, 3 Estes dispositivos ocupam volumes muito pequenos e são ecologicamente corretos. Os materiais orgânicos possuem flexibilidade mecânica intrínseca devido às ligações soltas de Van der Waals entre moléculas orgânicas. Dispositivos flexíveis feitos a partir de materiais orgânicos 4, 5 têm muitas aplicações, como em displays flexíveis 6, 7, etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) 8, células solares 9, pele eletrônica 10, sensores de pressão 11, 12, sensores de temperatura 13, produtos químicos sensores 14, 15, 16 e biossensores 14, 17 . Os materiais orgânicos têm outra vantagem importante: são solúveis em solventes orgânicos e, portanto, são mais adequados para processos de impressão do que os inorgânicos 18, 19, 20 . A eletrônica orgânica que é totalmente processada em solução 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 é de grande interesse, pois também permite a eletrônica de grande área e baixo custo. A capacidade de usar esses processos de impressão em substratos muito finos (<10 μm) tem oportunidades potenciais para aplicações eletrônicas discretas. Embora vários estudos recentes sobre dispositivos eletrônicos flexíveis tenham sido relatados 1, 3, 5, 7, 30, 31, 32, nenhum levou a um processo de fabricação totalmente impresso que pode produzir dispositivos com boas características de desempenho elétrico, como alta mobilidade, alta Relação liga / desliga e tensão limiar ideal próxima a 0 V. A obtenção de uma eletrônica orgânica flexível baseada em dispositivos de transistor de película fina (TFT) fabricados com processos totalmente impressos será essencial para a realização de aplicações eletrônicas portáteis de baixo custo e ambientalmente corretas.

Neste estudo, fabricamos dispositivos TFT orgânicos com excelentes características elétricas e estabilidade mecânica que são totalmente impressos em filmes poliméricos ultra-flexíveis. Os dispositivos TFT fabricados e os circuitos do inversor funcionam com tensões operacionais de 10 V e possuem níveis de mobilidade relativamente altos (1, 0 cm 2 V −1 s −1 ) e altas taxas de liga / desliga (> 10 6 ). Além disso, exibem notável estabilidade mecânica, pelo que os níveis de mobilidade e corrente on / off permanecem praticamente inalterados, mesmo sob pressão de compressão de 50%. Um inversor de carga de diodo tipo-p também é fabricado e exibe boas características de transferência. O circuito do inversor funciona bem em baixas tensões de alimentação, os tempos de subida / descida medidos são relativamente curtos (cerca de 1 ms) e podem ser mantidos sob tensão de compressão de 50%.

Resultados

TFTs orgânicos totalmente impressos em substratos ultrafinos

Novos materiais desenvolvidos pela Merck foram empregados para as camadas de semicondutores orgânicos, dielétricos de porta e de tratamento de eletrodos. Como já relatado por outros, esses materiais fornecem bom transporte de carga e operação estável 33, 34 . Como mostrado na Fig. 1a, os dispositivos orgânicos fabricados são extremamente finos e ultra-flexíveis; sua espessura total é inferior a 2 μm e o peso total é de apenas 2 g m −2 . Nossos dispositivos foram fabricados inteiramente por impressão, permitindo que eles sejam facilmente fabricados em larga escala. Um exemplo de nossos dispositivos impressos em conformidade com um joelho humano (Fig. 1b) ilustra seu potencial em aplicações de cuidados de saúde e monitoramento; eles podem ser gentilmente presos à pele ou envoltos em torno de membros sem que o usuário perceba qualquer desconforto. Eles podem ser dobrados ou até mesmo enrugados de modo que se adaptem aos movimentos do corpo humano, que tem superfícies irregulares e uma grande amplitude de movimento (Fig. 1b). Os detalhes para cada camada dos dispositivos fabricados são mostrados na Figura 1 Complementar e Tabela 1 Complementar.

( a ) Uma fotografia de dispositivos TFT orgânicos em filmes de parileno-C de 1 μm de espessura. Os dispositivos foram fabricados inteiramente com processos de impressão. Barra de escala, 2 cm. b ) Películas para dispositivos orgânicos em conformidade com um joelho humano. Barra de escala, 4 cm. ( c ) Diagrama transversal de um dispositivo TFT orgânico fino. ( d ) Uma imagem de microscópio de polarização da região do canal. Barra de escala, 100 μm.

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Os filmes de parileno-C são fixados a uma camada de liberação com força adesiva fraca (13 mN) para que os dispositivos fabricados possam ser removidos com segurança das placas de suporte (Figura 1c; Figura 2 Complementares e Tabela Complementar 2). Uma imagem microscópica de polarização (Fig. 1d) mostra que as camadas semicondutoras orgânicas têm tamanhos de domínio de cristal relativamente grandes de ~ 30 μm, o que significa que camadas cristalinas de domínio único podem ser estendidas através da região de comprimento de canal curto entre os eletrodos fonte e dreno. . Esses grandes domínios de cristal levaram aos dispositivos orgânicos impressos em filmes finos com excelentes características elétricas.

Características TFT

Nossos dispositivos fabricados apresentaram excelente estabilidade do ar ambiente, e todas as medições elétricas foram realizadas em condições ambientais. A Figura 2a mostra as características de transferência de um dispositivo TFT fabricado, e a Figura 2b mostra as características de saída correspondentes. Os dispositivos TFT exibiram um excelente desempenho do transistor em tensões operacionais relativamente baixas de 10 V. A mobilidade estimada na região de saturação foi de 1, 0 cm 2 V −1 s −1, e a relação on / off excedeu 10 6 . A tensão limiar estimada foi de –0, 53 V, que está próxima do valor ideal de 0 V. Estimamos também a resistência de contato ( R C ) usando um método de linha de transferência 35 . Para isso, fabricamos dispositivos TFT com comprimentos de canal que variam de 5 a 230 μm. A resistência total ( R ON ) foi tirada das características de saída. A Figura 2c mostra R ON normalizado por largura como uma função do comprimento do canal. R C foi obtido extrapolando o ajuste linear para um comprimento de canal de zero e plotando-o como uma função da voltagem da fonte da porta ( V GS ) (Fig. 2d). R C diminuiu para tão baixo quanto 3, 0 kΩ cm a V GS = –10 V, um valor de resistência de contato notavelmente baixo para um dispositivo TFT orgânico totalmente impresso e comparável com valores para dispositivos TFT orgânicos formados usando eletrodos de fonte / dreno de metal evaporados 36 . Esses baixos valores de R C são atribuídos a uma baixa barreira de energia entre a camada semicondutora orgânica impressa e os eletrodos fonte / dreno.

( a ) Características de transferência para o dispositivo TFT orgânico totalmente impresso e fino. O gráfico é da corrente da fonte de dreno ( I DS ) como uma função da tensão da fonte do gate ( V GS ) em uma tensão da fonte de dreno ( V DS ) de -10 V. A mobilidade de saturação é de 1, 0 cm 2 V −1 s −1, a relação on / off excede seis ordens de magnitude. ( b ) características de saída correspondentes. O gráfico é de I DS como uma função de V DS para uma tensão de fonte de porta de 0 V a -10 V em passos de 2 V. c ) Resistência total sobre a largura normalizada do canal ( R ON ) em função do comprimento do canal. ( d ) Resistência de contato com largura normalizada ( R C ) em função de V GS . A resistência de contato com largura normalizada foi de 3, 0 kΩ cm a uma V GS de -10 V.

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Estabilidade de dispositivos TFT totalmente impressos

Para demonstrar a robustez de nossos dispositivos TFT orgânicos totalmente impressos, realizamos vários testes de estabilidade. A Figura 3a mostra curvas de transferência de um dispositivo TFT imediatamente após o processo de fabricação e após 1 dia armazenado em ar ambiente (cerca de 25 ° C, 20% de umidade relativa). Embora pequenas diminuições na corrente e aumentos do balanço sublimiar foram observados, os dispositivos TFT fabricados funcionaram muito bem. A figura 3b mostra a mobilidade normalizada em função do tempo de armazenamento. Mesmo após 3 dias em condições de ar ambiente, as mudanças na mobilidade foram de 21%, o que verifica a estabilidade do ar relativamente a longo prazo dos dispositivos TFT totalmente impressos. Além da estabilidade a longo prazo no ar, estimamos a estabilidade a curto prazo em níveis elevados de temperatura e umidade. As características do transistor foram medidas enquanto os dispositivos foram aquecidos por uma placa quente. A figura 3c mostra a mobilidade normalizada em função da temperatura. A mobilidade aumentou ligeiramente em temperaturas de até 130 ° C, e o dispositivo TFT funcionou bem em temperaturas de até 160 ° C. Também armazenamos os dispositivos TFT em uma câmara de teste ambiental e conectamos ao analisador de parâmetros de semicondutor por cabos externos, para avaliar sua estabilidade em umidade. A temperatura na câmara foi fixada a 30 ° C, e os níveis de umidade foram alterados de 30 a 95% rh e, em seguida, medidos as características elétricas. A figura 3d mostra a mobilidade normalizada em função do nível de umidade. Mesmo com altos níveis de umidade (95% de rh), os dispositivos TFT funcionaram claramente e quase nenhuma alteração na mobilidade foi observada.

( a ) As características de transferência dos dispositivos TFT foram medidas imediatamente após o fabrico (linhas pretas) e após 1 dia (linhas azuis). Mesmo que os dispositivos TFT não tivessem camada de passivação, havia apenas pequenas mudanças nas características dos transistores. ( b ) Mobilidade de efeito de campo normalizada em função do tempo de armazenamento em condições de ar ambiente. Após 3 dias, foi observada uma mudança de 21% na mobilidade. Barras de erro nos gráficos indicam a mobilidade de efeito de campo normalizada sd ( c ) dos dispositivos TFT como uma função da temperatura. A mobilidade nos dispositivos TFT aumentou até 130 ° C, mas começou a degradar a> 130 ° C. Barras de erro nos gráficos indicam a mobilidade de efeito de campo normalizada sd ( d ) dos dispositivos TFT em função da umidade. A temperatura foi fixada a 30 ° C. Mesmo com alto nível de umidade (95% de rh), os dispositivos de transistor eram funcionais, com quase nenhuma mudança observada na mobilidade. Barras de erro nos gráficos indicam as características de transferência sd ( e ) dos dispositivos TFT tomadas antes (linha preta) e após aplicar uma tensão de polarização constante ( V GS = V DS = -10 V) para 10 3 s (linha azul) e 10 4 s (linha vermelha). ( f ) Mudanças de voltagem de limite (ΔV TH ) em função do tempo, aplicando voltagens contínuas. g ) Fotocópia de um dispositivo TFT orgânico totalmente impresso em películas de parileno-C de 1 μm de espessura enroladas em torno de um fio de cobre com um raio de 140 μm. Barra de escala, 5 mm. ( h ) As características de transferência dos dispositivos TFT foram medidas nos estados de inclinação e não inclinação, sem alterações discerníveis nas características devido à flexão.

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Também avaliamos a estabilidade operacional dos dispositivos. Nós estimamos a mudança no limiar de tensão (Δ V TH ) como os dispositivos foram estressados ​​com tensões de polarização constante ( V GS = V DS = –10 V) a partir de suas características de transferência. A Figura 3e mostra as mudanças nas características de transferência antes e depois de estressar os dispositivos por 10 3 e 10 4 s no ar ambiente. Embora as características de transferência tenham mudado ligeiramente na direção negativa, os outros parâmetros elétricos principais, como a relação liga / desliga e a mobilidade de efeito de campo, não mudaram com a tensão de polarização de gate negativa. Δ V TH em função do tempo de estresse é plotado na Fig. 3f. Δ VTH foi de 0, 65 V após a aplicação contínua de voltagens por 10 3 se foi de 1, 9 V após 10 4 s. Este nível de estabilidade operacional é comparável a dispositivos TFT orgânicos evaporados (processados ​​a vácuo) 37 .

A estabilidade mecânica à flexão dos dispositivos também foi avaliada. Cepas de tração foram aplicadas aos dispositivos TFT orgânicos. As cepas foram paralelas ao fluxo da corrente de dreno-fonte, e o desempenho elétrico dos dispositivos foi avaliado antes e durante a aplicação da tensão. A Figura 3f mostra uma fotografia de um dispositivo TFT fabricado firmemente enrolado em torno de um fio de cobre com raio de curvatura de 140 μm. As características de transferência foram medidas no ar ambiente com e sem tensão devido à flexão, como mostrado na Fig. 3g, de modo que não houve mudança perceptível nas características elétricas durante a flexão. A variação do on-current foi de 3, 9% e a variação na mobilidade foi de 1, 6% com flexão e a relação on / off manteve-se acima de 10 5 . Os substratos de película ultrafina ajudam a reduzir a tensão aplicada nos dispositivos TFT, pelo que a deformação calculada foi de ~ 0, 5% ou menos, mesmo quando os dispositivos foram dobrados para um raio de 140 μm 38, 39 . Como vários grupos de pesquisa já relataram, um grau tão pequeno de tensão não altera significativamente o desempenho elétrico de dispositivos TFT orgânicos 39, 40 .

Fabricação de grande área de dispositivos totalmente impressos

Para demonstrar ainda mais os avanços que fizemos, procedemos à fabricação de dispositivos totalmente impressos em substratos flexíveis ultrafinos em grandes áreas. Todos os dispositivos TFT orgânicos foram fabricados em matriz 20 × 20 num substrato de película de parileno-C de 10 cm x 10 cm. A Figura 4a mostra uma fotografia de topo da matriz impressa completa de 10 cm x 10 cm no substrato parileno-C. Uma vista ampliada de seis dispositivos TFT é mostrada na Fig. 4b. O diagrama de circuito para o arranjo TFT fabricado é mostrado na Fig. 4c. Para evitar o curto-circuito do TFT e melhorar o rendimento do dispositivo, uma camada dielétrica relativamente espessa (1.500 nm) foi usada nos dispositivos do arranjo. Aqui, a média da relação W / L do dispositivo TFT no array foi de 21. Um exemplo de um dispositivo de grande área e ultra-flexível que se conforma com a garganta humana (Fig. 4d) ilustra o potencial dessa tecnologia em sensor de saúde e o monitoramento de parâmetros biológicos. A Figura 4e mostra as características de transferência na matriz. O transistor exibiu excelente desempenho elétrico com histerese desprezível. Embora uma camada dielétrica espessa fosse usada, o dispositivo TFT possuía relação on / off suficientemente grande (> 10 5 ) e mobilidade de efeito de campo relativamente alta (0, 7 cm 2 V −1 s −1 ) em baixas tensões de operação ( V GS = V DS = –10 V). Para analisar esta matriz estatisticamente, 100 dispositivos TFT ou 25% dos dispositivos TFT foram caracterizados em termos de desempenho elétrico. Os gráficos na Fig. 4f-h mostram as distribuições de vários parâmetros de desempenho do transistor. A mobilidade no regime de saturação foi de 0, 34 ± 0, 15 cm 2 V −1 s − 1 em média, e o valor máximo foi de 0, 88 cm 2 V −1 s −1 . A tensão inicial média foi –0, 68 ± 0, 63 V e a relação logarítmica on / off média foi de 5, 2 ± 0, 8, o que mostra que a relação on / off média excede o nível de 10 5 . Estas variações nas características elétricas são comparáveis ​​àquelas obtidas com dispositivos TFT orgânicos de mesma configuração usando os mesmos materiais semicondutores orgânicos em substratos PEN com 125 μm de espessura 21 .

( a ) Fotografia de vista superior de uma matriz 20 × 20 TFT totalmente impressa de 10 cm × 10 cm, fabricada em um filme parylene-C ultra-flexível. Barra de escala, 1 cm. ( b ) Uma visão ampliada de seis dispositivos TFT. Barra de escala 2 mm. ( c ) Diagrama de circuitos da matriz TFT. ( d ) Folha de matriz TFT flexível em conformidade com uma garganta humana. ( e ) Características de transferência de um transistor na configuração da matriz. A mobilidade de saturação é de 0, 7 cm 2 V −1 s − 1 em V GS = V DS = −10 V. Embora os dispositivos fabricados com matriz TFT tenham camadas dielétricas relativamente espessas (1.500 nm), eles operam em baixas tensões com boas mobilidades e alta relações on / off. ( f - h ) Distribuição da mobilidade ( f ), tensão limite ( g ) e relação logarítmica on / off ( h ) como resultados medidos para 100 dispositivos TFT selecionados aleatoriamente na matriz. A mobilidade média foi de 0, 34 ± 0, 15 cm 2 V −1 s − 1, a tensão inicial média foi de –0, 68 ± 0, 63 V e a relação média logarítmica de ligar / desligar foi de 5, 2 ± 0, 8. As linhas tracejadas indicam distribuições normais.

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Robustez mecânica de dispositivos TFT orgânicos totalmente impressos

A estabilidade de tensão dos dispositivos TFT orgânicos totalmente impressos fabricados e dos circuitos do inversor de carga de diodo do tipo p foi avaliada pela aplicação de tensão de compressão. Aqui, os dispositivos fabricados foram liberados de suas placas de suporte e laminados em um elastômero pré-esticado (NITOMS, J0930, No.541), retirando-os das placas com uma pinça e colocando-os no elastômero 1 . Quando o elastômero pré-tensionado foi relaxado, a adesão entre o elastômero e o filme fino fez com que a deformação no elastômero se transferisse para o filme fino, formando uma rede de rugas fora do plano no dispositivo. Detalhes do aparelho de teste de compressão são mostrados na Fig. Suplementar 3. A Figura 5a mostra uma imagem antes e depois do relaxamento do elastômero. Os dispositivos tornaram-se dobrados quando o elastômero relaxou e a área do dispositivo foi reduzida em quase 50% de seu valor inicial. A Figura 5b mostra a imagem da superfície da superfície de um dispositivo TFT orgânico sob uma tensão de compressão de 50% medida utilizando um microscópio electrónico de varrimento (SEM). Aqui, as películas de substrato estavam enrugadas e os dispositivos TFT estavam vincados ou mesmo dobrados. A Figura 5c mostra uma imagem SEM em corte transversal de um transistor sob uma tensão de compressão de 50%. A imagem SEM revela que os substratos ultrafinos podem ser dobrados em raios de curvatura muito pequenos de cerca de 5 μm. Realizamos o experimento de deformação em duas direções: perpendicular e paralela ao fluxo de corrente de fonte-dreno. A Figura 5d mostra as características de transferência do dispositivo TFT antes e depois da aplicação de tensão compressiva perpendicular ao fluxo de I DS . Dispositivos impressos normalmente apresentam problemas com durabilidade mecânica devido à falta de força adesiva nas superfícies do filme 41, 42 ; Em contraste, estes dispositivos TFT totalmente impressos exibiram excelente estabilidade mecânica. Não houve degradação aparente nas características de transferência. Os valores de mobilidade foram praticamente os mesmos (0, 95 cm 2 V −1 s −1 sem compressão, 0, 94 cm 2 V −1 s −1 sob 54% de compressão), e a relação on / off excedeu 10 6 para o aparelho com menos de 54% compressão. A tensão limiar mudou ligeiramente na direção positiva, de 0, 66 para 1, 09 V; essa mudança é considerada insignificante. A corrente aumentou de 5, 5 para 5, 6 μA, que foi causada pela mudança na tensão de limiar. As características de saída correspondentes (Fig. 5e) mostram que as características lineares não mudaram mesmo após 54% da tensão de compressão, o que indicou que não houve mudança na resistência de contato. O gráfico da Fig. 5f mostra a mobilidade do dispositivo TFT em função do esforço de compressão em direções perpendiculares e paralelas ao fluxo de corrente de fonte e dreno. Nenhuma degradação irreversível foi observada durante estes experimentos, e os valores de mobilidade permaneceram praticamente inalterados, mesmo após a aplicação de uma deformação compressiva de 54%. Não houve dependência da direção da deformação, o que indica que os transistores fabricados tinham excelente estabilidade mecânica omnidirecional. Um ciclo de stress foi também aplicado aos dispositivos TFT, pelo que os dispositivos foram repetidamente comprimidos de 0 a 50% e imediatamente libertados para o seu estado não comprimido. Este ciclo de estresse foi repetido a uma taxa de três vezes por minuto. O gráfico na Fig. 5g mostra a mobilidade normalizada como uma função do número de ciclos de deformação compressiva. Mesmo após 100 ciclos completos, o dispositivo TFT estava totalmente funcional e as mudanças na mobilidade atingiram <4%.

( a ) Fotos de transistores ultra-flexíveis sem compressão (esquerda) e abaixo de 50% de compressão (direita). Barras de escala, 1 mm. ( b ) Imagem SEM de vista superior do dispositivo TFT totalmente impresso com esforço de compressão de 50%. Barra de escala, 200 μm. ( c ) Imagem transversal SEM de um filme ultrafino submetido a 50% de compressão. Os dois círculos vermelhos representam raios de curvatura de 7 μm (à esquerda) e 5 μm (à direita). Barra de escala, 20 μm. ( d ) Características de transferência de um dispositivo TFT operado sem tensão (azul) e 54% de compressão (vermelho), demonstrando a estabilidade mecânica dos dispositivos TFT totalmente impressos. A mobilidade diminuiu ligeiramente de 0, 95 para 0, 94 cm 2 V −1 s −1 sob 54% de compressão, e a tensão limite passou de 0, 66 para 1, 09 V. ( e ) Características de saída correspondentes. O gráfico é de I DS como uma função de V DS para uma tensão de fonte de porta de 0 V a -10 V em passos de 2 V. ( f ) Alterações na mobilidade em função do esforço de compressão. Os dispositivos foram comprimidos em duas direções: perpendicular (círculos pretos) e paralelos (triângulos vermelhos) ao fluxo de I DS . Os dispositivos TFT não mostraram degradação sob tensão compressiva perpendicular e paralela. ( g ) Durabilidade mecânica durante a compressão e relaxamento repetidos. A mobilidade normalizada foi plotada em função do número de ciclos.

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Operação estática e dinâmica de circuitos integrados orgânicos

Também avaliamos a estabilidade mecânica de inversores unipolares de carga de diodo fabricados em filmes finos de parileno-C. A Figura 6a mostra uma fotografia do circuito do inversor e a Figura 6b mostra um diagrama de circuito para o inversor. A relação entre os transistores de acionamento e de carga é de 2, 6: 1. Ambos os transistores tinham comprimentos de canal de 20 μm. A Figura 6c mostra as características de transferência estática medidas no ar ambiente de um inversor de carga de diodo sob nenhuma tensão compressiva e sob tensão de compressão de 50%. A tensão de saída ( V OUT ) e o ganho de sinal pequeno foram plotados em função da tensão de entrada ( V IN ). Não houve alteração significativa nas características elétricas durante a flexão, e o inversor funcionou adequadamente mesmo com uma tensão de acionamento ( VDD ) de 2 V. O ponto de desarme quando o inversor não estava sob compressão foi de 5, 92 V a VDD = 10 V, e 0, 95 V a V DD = 2 V, que estão próximas das tensões de disparo ideais de V DD / 2. O ganho de sinal fraco do inversor sem compressão foi de 1, 57 em VDD = 10 V e 0, 97 em VDD = 2 V. O ponto de disparo do inversor sob tensão de compressão de 50% foi de 5, 84 V a VDD = 10 V e 0, 92 V em V DD = 2 V. O ganho de sinal fraco do inversor sob compressão de 50% foi de 1, 61 a VDD = 10 V e 1, 00 a VDD = 2 V. As mudanças no ponto de disparo e ganho no caso de tensão de compressão eram <5% de seus valores no caso de nenhuma tensão compressiva. A figura 6d mostra a resposta dinâmica do mesmo circuito inversor. Aplicamos um V DD contínuo de 10 V e uma tensão de entrada CA com forma de onda retangular de 100 Hz variando de 0 a 10 V para o inversor e monitoramos a tensão de saída usando um osciloscópio digital. Os tempos de subida e queda medidos, no caso de nenhuma compressão, foram de 427 e 691 μs, o que corresponde a um tempo total de atraso de 1, 12 ms. Este atraso é bastante curto para circuitos orgânicos totalmente impressos, incluindo aqueles fabricados com transistores de nanotubos de carbono 27, 28 . As velocidades de operação permaneceram estáveis ​​mesmo quando a tensão de compressão foi aplicada aos filmes e aos circuitos amassados. Os tempos de subida e queda medidos do inversor abaixo de 54% de deformação compressiva foram de 495 e 705 μs, o que corresponde a um atraso total de 1, 20 ms e apenas uma mudança de 7% em relação ao atraso total inicial. Estes resultados exemplificam a excelente estabilidade mecânica de circuitos orgânicos impressos de funcionamento rápido fabricados em filmes finos.

( a ) Fotografia de circuitos orgânicos unipolares de inversores de carga de diodo. Barra de escala, 1 mm. ( b ) Diagrama de circuitos do dispositivo inversor. c ) Características de transferência estática do inversor e ganho de sinal pequeno em função da tensão de entrada ( V IN ). A linha sólida preta indica as características sem tensão e as linhas sólidas vermelhas indicam aquelas de circuitos sob tensão de compressão de 50%. ( c ) Operação dinâmica do circuito do inversor. Uma tensão de condução contínua ( VDD ) de 10 V e uma tensão de entrada CA com uma forma de onda retangular de 100 Hz de 0 a 10 V (cinza) foram aplicadas ao inversor e a tensão de saída foi monitorada usando um osciloscópio digital. A linha azul indica a tensão de saída sem tensão, e a linha vermelha indica a tensão de saída sob tensão de compressão de 50%.

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Discussão

Embora os dispositivos TFT orgânicos totalmente impressos fabricados em substratos ultra-finos não tivessem camada de passivação, os dispositivos exibiam robustez mecânica e estabilidade ambiental. Como já relatado por vários grupos de pesquisa, a robustez e a estabilidade ambiental podem ser melhoradas usando-se os materiais apropriados da camada de passivação para impedir a penetração de oxigênio ou água na camada semicondutora 43 . Essas camadas de passivação também impedem mudanças nas camadas semicondutoras em altas temperaturas 44 e incorporam a camada semicondutora para neutralizar a deformação 4 . A estabilidade do dispositivo TFT sob temperatura e umidade permitirá que esses dispositivos se conectem diretamente ao corpo humano para monitorar mudanças biológicas, e sua robustez mecânica permitirá que os dispositivos se conectem a superfícies altamente irregulares com grandes faixas em movimento. Devido à sua espessura e leveza, nossos dispositivos TFT podem operar mesmo sob a influência do vento (consulte a figura 4 e o vídeo suplementar 1).

Os processos de impressão são sensíveis à rugosidade superficial e à molhabilidade dos substratos, exigindo o controle da energia superficial do substrato. Embora uma camada de planarização tenha sido usada nos dispositivos fabricados para este estudo para melhorar a rugosidade da superfície do substrato, a camada também pode ser usada para controlar a energia superficial dos substratos até um nível desejado. Portanto, essa técnica de fabricação é compatível com outros processos de impressão, como impressão de gravura 45 ou serigrafia 46 .

Em conclusão, nós fabricamos transistores orgânicos totalmente impressos e circuitos inversores em filmes poliméricos de 1 μm de espessura e demonstramos sua excelente robustez mecânica, estabilidade ambiental e potencial em dispositivos flexíveis de grande área. Os dispositivos têm ~ 1.000 nm de espessura, então a espessura total de nossos dispositivos, incluindo o substrato, é de cerca de 2 μm. Os dispositivos exibem excelente estabilidade no ar e à temperatura e umidade. Os dispositivos fabricados apresentavam excelentes características elétricas estáticas e dinâmicas sob tensões de compressão de até 50%. Outras melhorias no desempenho elétrico e nas respostas dinâmicas desses dispositivos serão possíveis com o desenvolvimento de materiais nas camadas semicondutora e dielétrica e com o uso de tecnologias de impressão mais avançadas. A fabricação de grande área dos dispositivos TFT totalmente impressos demonstrada neste estudo ilustra ainda mais o potencial desses dispositivos em novas aplicações eletrônicas, como sensores de grande área.

Métodos

Fabricação de dispositivos

A estrutura esquemática para os dispositivos TFT orgânicos é mostrada na Fig. 1c. Placas de vidro (espessura de 0, 7 mm) foram utilizadas como suporte de placas para facilitar o manuseio de filmes de Parylene-C de 1 μm de espessura durante a fabricação do dispositivo, sendo uma solução de fluoropolímero (DuPont, Teflon AF 1600) na Fluorinert (3M FC -43) foi revestido por rotação sobre as placas de vidro para formar uma camada de fluoropolímero com uma espessura de 210 nm. Devido à baixa energia de superfície da camada de fluoropolímero (cerca de 8, 1 1 ), a camada de parileno C, formada na camada de fluoropolímero, pode ser facilmente removida das placas de vidro de suporte sem causar danos. Os filmes de parileno-C (KISCO, diX-C) de 1 μm de espessura foram formados por deposição química de vapor. Os pós de dicloro-p-xilileno foram sublimados a 135 ° C numa câmara de sublimação e foram convertidos em gás monómero a 650 ° C numa câmara de pirólise. Os moneros foram depositados nas placas e polimerizados para formar pelulas de polero de poli-p-xilileno numa cara de deposio com uma press de base de <35 mTorr. Estes filmes ultra-finos tinham uma rugosidade de superfície de cerca de 4 nm (rms) (ver figura complementar 1 e tabela suplementar 1). Um material poli (4-vinil-fenol) (PVP) reticulado foi usado como uma camada de planarização para os filmes. PVP (Mw ~ 25.000, Sigma Aldrich) e poli (melamina-co-formaldeído) (Mn ~ 432, 84% em peso, Sigma Aldrich) como agente de reticulação foram misturados em acetato de éter monometílico de propilenoglicol (PGMEA). As películas de parileno C foram revestidas com uma camada de PVP reticulada de 130 nm para reduzir a rugosidade da superfície, que foi depositada por revestimento rotativo e curada a uma temperatura de 150 ° C. A rugosidade da superfície da camada de planarização foi de 0, 18 nm (rms). A superfície da camada de PVP reticulada foi então tratada durante 1 min em plasma de oxigénio para alterar a molhabilidade da superfície (a potência do plasma era de 100 W). A rugosidade da superf�ie ap� o tratamento foi de 0, 23 nm (rms), que �suficientemente suficiente para a fabrica�o de dispositivos TFT org�icos nos filmes. Em seguida, tinta de nanopartículas de prata (Ag) num solvente aquoso (DIC Japan, JAGLT-01) foi modelada nos eléctrodos de porta no filme utilizando uma impressora de jacto de tinta (Fujifilm Dimatix, modelo DMP2831) com uma cabeça de impressão tendo 10 bocais em pl. A tinta de nanopartículas Ag foi impressa usando uma forma de onda personalizada, e as gotas foram depositadas com um espaçamento ponto-a-ponto de 60 μm. Durante o processo de padronização de jato de tinta, a temperatura do substrato foi mantida a 30 ° C. Após a impressão, os substratos foram armazenados por 30 min em uma câmara de teste ambiental (ESPEC, modelo SH-221), dentro da qual a temperatura foi mantida a 30 ° C e a umidade relativa foi mantida em 95% para planarizar os eletrodos 47 . Após o processo de secagem, os substratos foram aquecidos a 120 ° C por 1 h para sinterizar as nanopartículas de prata. Os eléctrodos de porta de prata fabricados tinham uma espessura uniforme de cerca de 100 nm. Depois de formar estes eléctrodos, uma solução de materiais dieléctricos de polímero (Merck, lisicon D207) foi revestida por rotação para formar camadas dieléctricas de porta. Após o revestimento por rotação da camada dielétrica, os substratos foram aquecidos a 120 ° C por 1 min em uma placa de aquecimento e então reticulados usando um tratamento UV (USHIO, modelo UX-3). O comprimento de onda da radiação UV foi de 365 nm e a dosagem foi de 2.650 mJ cm -2 . A espessura das camadas dielétricas para dispositivos e circuitos TFT individuais foi de 360 ​​nm e 1.500 nm para dispositivos de matriz TFT de grande área com camadas dielétricas mais espessas. A tinta de nanopartículas de prata num solvente à base de tetradecano (Harima Chemicals, NPS-JL) foi modelada com uma impressora de jacto de tinta para formar os eléctrodos fonte / dreno. As gotículas foram depositadas com um espaçamento ponto-a-ponto de 60 μm. A geometria do dispositivo TFT foi definida pelos dados de padronização para o processo de impressão a jato de tinta. Em seguida, um tratamento de monocamada automontado (SAM) para eletrodos fonte / dreno (Merck, lisicon M001) foi preparado por imersão do substrato em uma solução de propanol por 1 min. O tratamento SAM alterou a função trabalho dos eletrodos impressos de fonte / dreno de prata de 4, 7 para 5, 3 eV, o que reduz a barreira de energia entre a camada semicondutora orgânica e os eletrodos fonte / dreno 48 . O processo de modificação do SAM resulta em melhorias significativas para o desempenho do transistor 21 . Em seguida, uma solução de fluoropolímero (DuPont, Teflon AF 1600) em Fluorinert (3 M, FC-43) foi usada como uma camada de banco e foi modelada usando equipamento dispensador (MUSASHI Engineering, Image Master 350 PC), que inclui um mesa de eixo e um dispensador de ar, ambos controlados por computador para distribuir e modelar com precisão a solução. As camadas de banco de fluoropolímero com 200 nm de espessura foram impressas a uma velocidade de 20 mm s- 1 e com uma pressão de descarga de 5 kPa. Durante o processo de padronização do dispensador, as temperaturas da placa e do bico foram mantidas a 30 ° C. Após a impressão da camada de banco, os substratos foram armazenados em um ambiente de ar por 10 min para remover o solvente. A etapa final do processo foi a formação da camada semicondutora orgânica; a mesitylene-based formulation of a soluble small-molecule p-type organic semiconducting material (Merck lisicon S1200) with a deep ionization potential of 5.4 eV (refs 21, 33, 34) was printed onto the area defined by the bank layer by using dispenser equipment at a patterning speed of 20 mm s −1 and discharge pressure of 1 kPa. During the dispenser patterning process, the platen and nozzle temperatures were maintained at 30 °C. After patterning the semiconducting layer, the substrates were baked at 100 °C for 1 min on a hotplate.

Device characterization

The electrical characteristics of the fabricated capacitors and TFT devices were measured by using a semiconductor parameter analyser (Keithley, model 4200-SCS). All electrical measurements on the organic TFT devices were carried out in air ambient. The surfaces of the fabricated devices were observed using a laser microscope (Olympus, model OLS-4000) and polarization microscope (Nikon ECLIPSE ME600). The work function of the source/drain electrodes was measured using photoemission spectroscopy (Riken Keiki, model AC-3). The adhesion strength of the parylene-C films was measured using a scratch method (RHESCA, CSR-2000).

Informação adicional

How to cite this article: Fukuda, K. et al. Fully-printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films. Nat. Comum. 5:4147 doi: 10.1038/ncomms5147 (2014).

Informação suplementar

Arquivos PDF

1 Informação suplementar Supplementary Figures 1-4 and Supplementary Tables 1-2

Vídeos

1 Filme Suplementar 1 Wind-whipped inverter circuits. The video shows unipolar inverter circuits fabricated on 1-μm-thick parylene-C films. Because of their thinness and lightness, the devices can easily be whipped by wind. No damage is caused to the electronic circuits even when the electric fan causes the devices to flap about.

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