ITEM METADATA RECORD
Title: Self-assembling monolayers for organic thin-film transistors.
Other Titles: Zelf-assemblerende monolagen voor organische dunne-film transistoren.
Authors: Janssen, Dimitri; M9609167
Issue Date: 27-Jun-2006
Publisher: K.U.Leuven
Abstract: In vergelijking met klassieke, anorganische halfgeleider-componenten kun nen elektronische componenten gemaakt van organische materialen zoals ‘p lastics’ belangrijke voordelen bieden, ondanks hun doorgaans lagere perf ormantie, zoals eenvoudigere en goedkopere produktieprocessen op grote, lichte, flexibele substraten. Bijvoorbeeld, organische licht-emitterende diodes (OLEDs) worden momenteel reeds toegepast in kleine vlakke scherm en maar voor de praktische toepassing van organische dunne-film transist oren (OTFTs) zijn verdere verbeteringen van performantie, produktie-tech nieken en materialen vereist. Zelf-assemblerende monolagen (SAMs) zijn zeer interessant voor het verbe teren van organische dunne-film transistoren omwille van twee redenen : ten eerste laat het gebruik van SAMs controle toe over de eigenschappen van opper- en grensvlakken in een OTFT die een grote invloed hebben op d e performantie van de transistor. Ten tweede zouden functionele monolage n gebruikt kunnen worden om (onderdelen van) de OTFT te vervangen wat de fabricatie van OTFTs aanzienlijk zou vereenvoudigen. Het doel van deze thesis was dan ook de mogelijkheden te onderzoeken voo r de verbetering en vervanging van organische dunne-film transistoren me t zelf-assemblerende structuren. Gedurende dit werk bleek dat sommige, bestaande technieken voor depositi e en karakterisatie van SAMs ontoereikend of ongeschikt waren voor onze toepassingen en dus aanpassing of optimalisatie vereisten. Klassieke depositie van silaan-gebaseerde SAMs uit oplossing leidt vaak tot inhomogene, gepolymeriseerde lagen en daarom werden damp-fase deposi tietechnieken onderzocht. Met behulp van depositie vanuit de damp-fase i n vacuüm hebben we dichte monolagen van chlorosilanen gemaakt die weinig polymerisatie vertonen wat essentieel is voor de toepassing in organisc he elektronica. Karakterisatie van SAMs op siliciumdioxide substraten door middel van in frarood spectroscopie is vaak problematisch maar door het gebruik van ee n reflecterende, metalen onderlaag waren we in staat om spectra van vers chillende silaan-SAMs te nemen. Alifatische en carbonyl vibraties konden duidelijk waargenomen worden maar spijtiggenoeg waren andere nutt ige, karakteristieke groepen niet zichtbaar. Voorts werden in dit werk totale reflectie X-stralen fluorescentie (TXRF ) metingen voor het eerst toegepast voor de bepaling van de densiteit va n zelf-assemblerende monolagen. We hebben de densiteit van verschillende bromo-getermineerde SAMs nauwkeurig bepaald en de relatie tussen de den siteit van de SAM en de vorm van de moleculen geïllustreerd. De TXRF tec hniek werd kort ook gebruikt om de efficiëntie van de gebruikelijke subs traat reinigingsmethodes en de invloed van het bewaren van substraten on der water op oppervlakte recontaminatie te bestuderen. TXRF metingen op SAMs zijn echter niet beperkt tot deze voorbeelden en talloze andere toe passingen zoals bijvoorbeeld het bestuderen van oppervlakte reacties beh oren tot de mogelijkheden. Tot slot heeft de opgedane ervaring met SAMs geleid tot een uitgebreide studie van statische contact hoeken van SAM-gemodificeerde siliciumdioxi de oppervlakken met een uitgebreide reeks van praktisch relevante solven ten. Aan de hand van deze data hebben we de polaire en disperse componen t van de oppervlakte vrije enthalpie van de gemodificeerde oppervlakken bepaald met verschillende modellen. Hiermee was het mogelijk zogenaamde ‘wetting envelopes’ op te stellen voor de verschilende oppervlakken. Dez e envelopes laten een eenvoudige evaluatie toe van de mate waarin een so lvent interageert met een oppervlak wat van groot belang kan zijn voor h et verwerken van organische materialen bij de produktie van organische e lektronische componenten. Vervolgens hebben we de mogelijkheden onderzocht om de verschillende ond erdelen (i.e. de halfgeleider, de isolator en de contacten) van een orga nische dunne-film transistor 1) te verbeteren of 2) te vervangen met beh ulp van zelf-assemblerende structuren. Allereerst hebben we aangetoond dat de toepassing van SAMs op de verschi llende grensvlakken in een OTFT een sterke invloed heeft op de groei van de organische halfgeleider film. Controle over deze invloed heeft ons t oegelaten de eigenschappen van de opgedampte, organische halfgeleider fi lm te verbeteren en daardoor de performantie van de uiteindelijke compon enten te verhogen. In samenwerking met S. Verlaak heeft deze studie gele id tot de ontwikkeling van een nucleatie groei model dewelke een g oede interpretatie en zelfs voorspelling van de groeimorfologie toelaat op basis van de depositie parameters. De interactie energie van de organ ische moleculen met het substraat bleek een zeer belangrijke parameter e n kan beïnvloed worden door modificatie van het oppervlak met SAMs. Zo h ebben we bijvoorbeeld SAMs gebruikt om verschillende, onderliggende oppe rvlakken te maskeren waardoor de kristal korrels beter groeien over de g renzen van deze oppervlakken. Tot slot hebben we in samenwerking met S. Verlaak en S. Steudel een nieuwe methode uitgewerkt voor het maken van p atronen in de organische halfgeleider laag door lokaal de molecule-subst raat interactie te veranderen met behulp van SAMs. Tijdens de studie van de invloed van de oppervlaktebehandeling op OTFT e igenschappen merkten we dat de aanwezigheid en het type van een zelf-ass emblerende monolaag op de isolator ook een belangrijke invloed heeft op de drempelspanning van de organische dunne-film transistor waardoor een systematische controle over deze drempelspanning mogelijk werd. Vergelij kbare waarnemingen werden ook in de literatuur gerapporteerd en recent w erd het achterliggende mechanisme beschreven waarbij ladingen gevangen w orden door water en hydroxyl-groepen op het oppervlak. Het aanbrengen va n een monolaag passiveert en blokeert het vangen van ladingen wat result eert in een verandering van de drempelspanning en zelfs de algemene obse rvatie van een elektronen-geleidend veld-effect in organische halfgeleid ers. Betreffende de verbetering van source en drain contacten in een OTFT heb ben we de invloed van oppervlakte modificatie van de contacten met thiol -gebaseerde SAMs onderzocht op de contact weerstand. We hebben aangetoon d dat het aanbrengen van dergelijke SAMs tot een sterke verbetering van performantie van de OTFT leidt. In tegenstelling tot studies in de liter atuur konden wij echter geen correlatie waarnemen tussen het dipoolmomen t van de moleculen in de SAM en de contactweerstand. Wel was er een verb and tussen de dikte van de SAM en de contactweerstand wat betekent dat d e SAM een barrière voor ladingsinjectie vormt en dat de waargenomen verb etering van OTFT eigenschappen grotendeels toegeschreven kan worden aan de verbeterde (over)groei van de organische halfgeleider. In deze studie hebben we ook een zachte manier onderzocht voor het conta cteren van OTFTs namelijk door het gebruik van ‘stempel-contacten’. We h ebben aangetoond dat metaal contacten aangebracht op een zachte, rubbere n stempel die vervolgens tegen een organische halfgeleider film op een i solator/gate substraat gedrukt wordt, gebruikt kunnen worden voor het ui tmeten van transistor karakteristieken van deze halfgeleider laag. Evenw el doken hierbij enkele praktische problemen op zoals vervorming van de stempel, gebrekkige adhesie van de contacten, hoge contact weerstand en hoge overlap capacitantie. Verder onderzoek is dan ook nodig om deze tec hniek algemeen bruikbaar en goed reproduceerbeer te maken. Met deze tech niek zou het bijvoorbeeld mogelijk zijn om de zuivere invloed van thiol SAMs op de contact weerstand te bepalen aangezien op deze manier de invl oed van de groei morfologie ontkoppeld wordt van de contact weerstand. In een tweede deel hebben we verschillende mogelijkheden onderzocht om d e organische halfgeleider/(isolator) en metaal contacten in een OTFT te vervangen door zelf-assemblerende structuren wat een aanzienlijke vereen voudiging van het produktieproces van OTFTs zou kunnen betekenen. In een eerste opzet voor de vervanging van de organische halfgeleider (e n isolator) door SAMs werden twee carbazool-thiol verbindingen gesynthet iseerd. Monolagen van deze moleculen bleken echter weinig geordend en he t was niet mogelijk om transistor karakteristieken te meten als gevolg v an elektrische kortsluitingen doorheen de monolaag. Om dit te vermijden werd in een tweede opzet gebruik gemaakt van een twee-staps proces waarb ij verschillende geconjugeerde moleculen gekoppeld werden aan silaan-geb aseerde, amino-getermineerde SAMs op silicium/siliciumdioxide structuren . Ook zelf-assemblerende, gekoppelde multilagen werden kort onderzocht m aar geen van de gemaakte mono- en multilagen vertoonden ondubbelzinnig h alfgeleidende eigenschappen. De resterende problemen en uitdagingen voor zelf-assemblerende halfgeleiders werden evenwel geidentificeerd: ten ee rste zijn er nieuwe methodes of materialen nodig voor het contacteren va n de monolaag zonder beschadiging van of diffusie door de monolaag. En t en tweede moet de SAM voldoende dicht gepakt zijn zodat de geconjugeerde groepen overlappen en het materiaal halfgeleidend wordt. Deze dichte pa kking is echter fundamenteel beperkt door de oplosbaarheid van de ongeko ppelde, geconjugeerde moleculen zodat er een compromis gemaakt zal moete n worden tussen de halfgeleidende eigenschappen en de oplosbaarheid. We denken daarom dat, zelfs wanneer alle problemen opgelost kunnen worden, zelf-assemblerende halfgeleiders nooit in staat zullen zijn de ‘klassiek e’ organische halfgeleiders te evenaren of benaderen qua performantie. Voor de vervanging van metaal contacten door zelf-assemblerende structur en hebben we aangetoond dat het mogelijk is om selectief een metaal-laag te ‘groeien’ met behulp van zelf-assemblage van metalen nanocolloïden o p substraten met een pre-gedefiniëerde SAM. Ook bij deze techniek doken enkele problemen op die momenteel de praktische toepassing ervan v erhinderen: de verkregen metaal-lagen zijn te dun en de selectiviteit va n de nanocolloïden voor de gemodificeerde oppervlakken is niet compatibe l met het gebruik van schaduw-maskers voor het verkrijgen van veld-effec t transistor structuren. Mogelijks kunnen dikkere metaal-lagen verkregen worden door optimalisatie van het electroless depositie proces terwijl de evaluatie van verschillende oppervlakte modificaties (zowel op het su bstraat als op de nanocolloïden) toe moet laten de selectiviteit te verb eteren. Tot slot kunnen we besluiten dat we met succes verschillende verbetering en en aanpassingen aangebracht hebben voor de depositie en karakterisati e van zelf-assemblerende monolagen. Met behulp van deze monolagen hebben we verschillende mogelijkheden onderzocht om organische dunne-film tran sistoren te verbeteren en te vervangen. De incorporatie van SAMs in de o rganische halfgeleider, de isolator en de contacten heeft toegelaten de uiteindelijke performantie van de transistor te controleren en aanzienli jk te verbeteren. Spijtiggenoeg bleken de mogelijkheden voor het vervang en van de verschillende onderdelen van een OTFT door SAMs minder succesv ol. Desalniettemin heeft deze studie ons toegelaten de problemen en bepe rkingen te identificeren voor toekomstig onderzoek in dit domein. We kunnen dan ook besluiten dat dit werk een aanzienlijke bijdrage heeft geleverd in het onderzoek naar de verbetering van organische dunne-film transistoren met behulp van SAMs. Ook het onderzoek naar de mogelijke v ervanging van OTFTs door zelf-assemblerende structuren heeft enkele bela ngrijke problemen en uitdagingen blootgelegd die van nut kunnen zijn voo r de verdere verkenning van dit multidisciplinaire onderzoeksgebied.
URI: 
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Molecular Design and Synthesis
Afdeling Organische synthese

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
thesis final color.pdf Published 7477KbAdobe PDFView/Open

 


This item is licensed under a Creative Commons License
Creative Commons

All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.