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Jun 03, 2023

eletrostaticamente

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16009 (2022) Citar este artigo

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Os 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, nos quais as interfaces em nanoescala entre diferentes componentes devem ser projetadas com precisão. No entanto, 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 modelados diretamente em um filme fino monocristalino orgânico por meio de revestimento por pulverização eletrostática. Os OTFTs presentes 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 tipo p e n e um OTFT livre de metal operável composto de materiais totalmente à base de carbono. Esses resultados constituem um passo fundamental no desenvolvimento de circuitos integrados impressos livres de metal.

Transistores de filme fino (TFTs) são um dos mais importantes blocos de construção de circuitos eletrônicos1,2,3, onde heterointerfaces entre vários componentes como metais, semicondutores e isolantes desempenham papéis predominantes em seu desempenho4,5,6,7. Os processos de fabricação de TFT exigem a deposição sequencial desses componentes, o que provavelmente dificulta a produção confiável de dispositivos integrados. Para TFTs com semicondutores orgânicos processáveis ​​por solução (OSCs), em particular, a engenharia de heterointerface pode ser mais prejudicial porque deve ser compatível com a tecnologia de impressão8,9. 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 vem melhorando. Em particular, para filmes finos monocristalinos consistindo de algumas monocamadas de OSCs, mobilidades de efeito de campo razoavelmente altas > 10 cm2 V−1 s−1 com excelente estabilidade ambiental foram alcançadas15,16,17,21,22. 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, OTFTs requerem a deposição sequencial de eletrodos de metal 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) alto -eletrodos de ouro de alta qualidade podem ser depositados por deposição a vácuo e (3) eletrodos de ouro possuem alta estabilidade ambiental, mesmo que estejam na forma de filmes ultrafinos. Em particular, sabe-se que a qualidade da interface ouro/OSC domina as propriedades de injeção de portadores e a resistência de contato interfacial15,21. 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 flexíveis impressos.

Neste estudo, demonstramos que o carbono à base de grafite pode ser depositado e modelado diretamente em filmes finos OSC monocristalinos por meio de revestimento por pulverização eletrostática e funciona como um eletrodo de contato eficiente para OTFTs 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 on-off de aproximadamente 106, que são comparáveis ​​aos OTFTs de contato de ouro14,16,24. Além disso, um inversor complementar composto por OTFTs tipo p e n foi operado com sucesso em uma tensão fornecida (Vdd) de 5 a 15 V, que é um dos primeiros circuitos orgânicos complementares a ser operado com eletrodos de carbono à base de grafite. Também operamos um OTFT livre de metal compreendendo apenas materiais à base de carbono, como OSC, eletrodos de contato/porta 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.