Submitted by MAIZA DA SILVA OZÓRIO null (ozoriounesp@gmail.com) on 2018-02-26T15:23:33Z No. of bitstreams: 1 dissertação_maiza_versão_final_corrigida.pdf: 3955466 bytes, checksum: 08f98a38963076999f04ee08c2e89954 (MD5) / Approved for entry into archive by Claudia Adriana Spindola null (claudia@fct.unesp.br) on 2018-02-26T16:14:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ozorio_ms_me_prud.pdf: 3955466 bytes, checksum: 08f98a38963076999f04ee08c2e89954 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-26T16:14:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ozorio_ms_me_prud.pdf: 3955466 bytes, checksum: 08f98a38963076999f04ee08c2e89954 (MD5) Previous issue date: 2016-06-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Um dos atuais desafios da eletrônica orgânica é a obtenção de semicondutores com alta mobilidade que forme filmes com boa morfologia quando depositado/impresso por solução, resultando em boa uniformidade e reprodutibilidade dos dispositivos. O poli(3- hexiltiofeno) (P3HT) e o 6,13-(triisopropilsililetinil)pentaceno (TP) estão entre os semicondutores orgânicos mais utilizados. O TP tem como característica a formação de estruturas cristalinas, e desse modo, apresenta mobilidade muito maior que o P3HT, no entanto é difícil de obter filmes com boa morfologia e resultados reprodutíveis. Visando um material semicondutor que apresente mobilidade significativamente melhor que a do P3HT e uma morfologia melhor que a do TP, estudou-se compósitos a partir da mistura destes materiais (P3HT:TP) para aplicação em transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs), utilizando óxido de alumínio anodizado (Al2O3) tratado com HMDS como dielétrico de gate. Para análise da morfologia dos compósitos semicondutores de P3HT:TP usou-se microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (AFM) e microscopia óptica (MO). Análise óptica foi feita através de medidas de fotoluminescência (PL) e de tempo de decaimento por fotoluminescência. Espectroscopia Raman e FTIR foram utilizadas para análises estruturais. No modo transistor a caracterização foi feita através de curvas de saída e transferência. Através das caracterizações elétricas determinou-se os parâmetros do semicondutor, tais como, mobilidade, voltagem limiar de chaveamento e razão entre o estado ligado e desligado. A morfologia da blenda semicondutora apresentou características específicas de cada material, ressaltando a formação de aglomerados. Observou-se diferenças bastantes consideráveis na morfologia do compósito em função da variação do solvente e da cinética de deposição dos filmes. Imagens de MEV mostram regiões cristalinas do TP dispersas na matriz polimérica do P3HT, onde o tamanho, forma e distribuição dos cristalitos dependem do tratamento dado à superfície do isolante. O aumento da concentração de TP dificulta a formação de compósitos com boas características. A melhor mobilidade foi obtida com o compósito 50P3HT:50TP, apresentando valores na ordem de 10- 3 cm2V -1 s -1 . / One of the current challenges of organic electronics is the development of semiconductors with high mobility to form films with good morphology when deposited/printed by solution, resulting in good uniformity and reproducibility of the devices. The poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and 6,13-(triisopropilsililetinil)pentacene (TP) are among the most widely used organic semiconductors. The TP films are constituted by crystalline lamellar structures, and thus has greater mobility than the P3HT, however, it is difficult handling it to obtain films with good morphology and reproducible results. Targeting a semiconductor material with significantly better mobility than that of P3HT and better morphology than that of TP, we studied composites of these materials (P3HT: TP) for using in organic field effect transistors (OFETs). The transistor was prepared depositing the solution of the semiconductor composite, by spin coating, on the aluminium oxide, obtained by anodization and treated with HMDS, followed by the thermal evaporation of gold on the top, to form the drain and source electrodes. For analysis of the morphology of the composites semiconductors (P3HT: TP) was used scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy (OM). Optical analysis was performed using photoluminescence (PL) measurements and decay time by photoluminescence. FTIR and Raman spectroscopy were used to structural analysis. In mode transistor, characterization was performed using output and transfer curves. Through the electrical characterizations determined the semiconductor parameters such as mobility, threshold-switching voltage and the ratio between the current in “on” and “off” states. The morphology of the semiconductor composite presented specific characteristics of each material, emphasizing the formation of agglomerates. It has been observed quite considerable differences in the morphology of the composite depending on the solvent and the variation of the film deposition kinetics. SEM images show crystalline regions TP dispersed in the polymeric matrix of P3HT, where the shape, size and distribution of crystallites depend on the treatment of the surface of the dielectric. The increase in TP concentration hinders the formation of composites with good characteristics. The best mobility was obtained with the composite 50P3HT: 50TP, with values in the order of 10- 3 cm2V -1 s -1 .

A eletrônica digital desempenha papel essencial no desenvolvimento e manutenção dos padrões de vida em prática hoje no mundo. A peça fundamental para a criação desta era tecnológica é sem dúvidas o transistor. Com o advento de novos materiais, a busca por transistores que oferecem novas oportunidades de processamento e aplicação permitiu que uma nova área fosse criada: a eletrônica orgânica. Transistores de efeito de campo baseados em filmes finos de materiais orgânicos têm recebido grande atenção nas últimas décadas. Apresentamos um estudo experimental e teórico de transistores de efeito de campo a base de filmes finos orgânicos. Foram caracterizados transistores usando um derivado do pentaceno (TMTES-pentaceno) como camada ativa em um dispositivo feito sobre Si/SiO2. Mostramos que a inclusão do semicondutor orgânico em uma matriz polimérica isolante ajuda a manter a estabilidade termo mecânica do dispositivo. Foi desenvolvido um modelo que levasse em conta as resistências parasíticas para explicar o comportamento do transistor em função da temperatura. Também foram construídos e caracterizados transistores usando rr-P3HT como semicondutor e PMMA como isolantes. Apresentamos transistores do tipo Top-Gate e Bottom-Gate com mobilidade máxima de 7 x 10-3 cm2/V.s. Valores de razão ON/OFF de ~ 900 foram encontrados nos transistores otimizados. O comportamento dos transistores é analisado em função da temperatura e os modelos de aproximação de canal gradual e de Vissenberg-Matters foram aplicados para extração dos parâmetros de interesse. Por fim, apresentamos um modelo de corrente de canal baseado na resolução 2D numérica da equação de Poisson usando as idéias de Vissenberg-Matters para a concentração de cargas em função do potencial local. O modelo, embora ainda nos primeiros estágios de desenvolvimento, prevê a saturação da corrente nas curvas de saída simuladas sem limitações de regime de validade. / Digital electronics plays an essential role in the development and maintenance of living standards into practice in the world today. The cornerstone for the creation of this technological age is undoubtedly the transistor. With the advent of new materials, the search for transistors that offer new opportunities in processing and application allowed a new area to be created: the organic electronics. Field effect transistors based on organic thin films have received great attention in recent decades. We report an experimental and theoretical study of field effect transistors based on organic thin films. We characterized transistors manufactured using a derivative of pentacene (TMTES-pentacene) as the active layer in a device and using Si/SiO2 as gate and insulator. We show that the inclusion of the organic semiconductor in an insulating polymeric matrix helps to maintain the termo-mechanical stability of the device. A model was developed that take into account the parasitic resistances and to explain the behavior of the transistor as a function of temperature. We also present the manufacturing and characterization process of transistors using rr-P3HT as semiconductor and PMMA as insulator. We report Top-Gate and Bottom-Gate transistors with maximum mobility of 7 x 10-3 cm2/V.s. The maximun ON/OFF ratio of ~ 900 was found for the optimized transistors. The behavior of the transistors was analyzed as a function of temperature and both gradual channel approximation and Vissenberg-Matters models were applied for extracting the parameters. Finally, we present a channel current model based on the resolution of 2D numerical Poisson equation using the ideas of Vissenberg-Matters to the calculate the concentration of charges due to the local potential. The model, although still in the early stages of development, predicts the saturation current at output simulated curves with no limitation of regime validity.

Nanotubos de carbono e polímeros condutores são fortes candidatos à miniaturização dos componentes eletrônicos disponíveis atualmente. Estudos teóricos afirmaram que 1/3 dos nanotubos seriam metálicos, enquanto que os outros seriam semicondutores, mas alguns grupos reportaram medidas experimentais evidenciando um pequeno gap eletrônico em tubos considerados metálicos. Protótipos de transístores compostos de nanotubos e moléculas orgânicas conjugadas foram propostos e foi observado que o recobrimento dos tubos por moléculas de pentaceno tornava os dispositivos menos suscetíveis à deposição de impurezas, o que diminuía a histerese na curva característica i x V, ao mesmo tempo que a formação de cristais de pentaceno era favorecida. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica dos nanotubos (5,5) e (9,0) través de DFT e observamos presença de um gap nesses sistemas, assim como uma deformação de suas estruturas de ligações químicas, evidenciando a distorção de Peierls. O efeito do termo de troca de Hartree-Fock introduzido no funcional B3LYP foi avaliado variando-se seu peso e observando as propriedades destes sistemas. Em uma segunda etapa, utilizamos mecânica molecular e dinâmica molecular clássica com o campo de forças CVFF 950 e observamos a formação de estruturas de pentaceno em volta dos tubos, evidenciando o favorecimento da formação de cristais do mesmo quando depositado sobre os nanotubos. / Carbon Nanotubes and conducting polymers are strong candidates for use in nanoscale electronic devices. Theoretical studies claimed that 1/3 of the nanotubes are metallic, while the others are semiconductors, but some groups have reported experimental measurements of a small electronic gap in tubes considered metallic. Prototype transistors made of nanotubes and organic conjugated molecules were proposed and it has been noticed that the coverage of the tubes by pentacene molecules made those trasistors less susceptible to impurity deposition, reducing the hysteresis in the characteristic I x V curve, while the formation of pentacene cristals was favored. In this work, we studied the electronic structure of the nanotubes (5,5) and (9,0) using DFT and noticed an electronic gap in those systems, as well as a deformation of their structures, similar to a Peierls distortion. The effect of the Hartree-Fock exchange included in the B3LYP functional was studied, as we varied its weight to obtain some properties of those systems. Later, we used molecular mechanics and classical molecular dynamics with the CVFF 950 force field and obtained structures compatible with pentacene crystals around the tubes, showing that the tubes in fact favor the formation of of these structures around them.

A eletrônica digital desempenha papel essencial no desenvolvimento e manutenção dos padrões de vida em prática hoje no mundo. A peça fundamental para a criação desta era tecnológica é sem dúvidas o transistor. Com o advento de novos materiais, a busca por transistores que oferecem novas oportunidades de processamento e aplicação permitiu que uma nova área fosse criada: a eletrônica orgânica. Transistores de efeito de campo baseados em filmes finos de materiais orgânicos têm recebido grande atenção nas últimas décadas. Apresentamos um estudo experimental e teórico de transistores de efeito de campo a base de filmes finos orgânicos. Foram caracterizados transistores usando um derivado do pentaceno (TMTES-pentaceno) como camada ativa em um dispositivo feito sobre Si/SiO2. Mostramos que a inclusão do semicondutor orgânico em uma matriz polimérica isolante ajuda a manter a estabilidade termo mecânica do dispositivo. Foi desenvolvido um modelo que levasse em conta as resistências parasíticas para explicar o comportamento do transistor em função da temperatura. Também foram construídos e caracterizados transistores usando rr-P3HT como semicondutor e PMMA como isolantes. Apresentamos transistores do tipo Top-Gate e Bottom-Gate com mobilidade máxima de 7 x 10-3 cm2/V.s. Valores de razão ON/OFF de ~ 900 foram encontrados nos transistores otimizados. O comportamento dos transistores é analisado em função da temperatura e os modelos de aproximação de canal gradual e de Vissenberg-Matters foram aplicados para extração dos parâmetros de interesse. Por fim, apresentamos um modelo de corrente de canal baseado na resolução 2D numérica da equação de Poisson usando as idéias de Vissenberg-Matters para a concentração de cargas em função do potencial local. O modelo, embora ainda nos primeiros estágios de desenvolvimento, prevê a saturação da corrente nas curvas de saída simuladas sem limitações de regime de validade. / Digital electronics plays an essential role in the development and maintenance of living standards into practice in the world today. The cornerstone for the creation of this technological age is undoubtedly the transistor. With the advent of new materials, the search for transistors that offer new opportunities in processing and application allowed a new area to be created: the organic electronics. Field effect transistors based on organic thin films have received great attention in recent decades. We report an experimental and theoretical study of field effect transistors based on organic thin films. We characterized transistors manufactured using a derivative of pentacene (TMTES-pentacene) as the active layer in a device and using Si/SiO2 as gate and insulator. We show that the inclusion of the organic semiconductor in an insulating polymeric matrix helps to maintain the termo-mechanical stability of the device. A model was developed that take into account the parasitic resistances and to explain the behavior of the transistor as a function of temperature. We also present the manufacturing and characterization process of transistors using rr-P3HT as semiconductor and PMMA as insulator. We report Top-Gate and Bottom-Gate transistors with maximum mobility of 7 x 10-3 cm2/V.s. The maximun ON/OFF ratio of ~ 900 was found for the optimized transistors. The behavior of the transistors was analyzed as a function of temperature and both gradual channel approximation and Vissenberg-Matters models were applied for extracting the parameters. Finally, we present a channel current model based on the resolution of 2D numerical Poisson equation using the ideas of Vissenberg-Matters to the calculate the concentration of charges due to the local potential. The model, although still in the early stages of development, predicts the saturation current at output simulated curves with no limitation of regime validity.

Nanotubos de carbono e polímeros condutores são fortes candidatos à miniaturização dos componentes eletrônicos disponíveis atualmente. Estudos teóricos afirmaram que 1/3 dos nanotubos seriam metálicos, enquanto que os outros seriam semicondutores, mas alguns grupos reportaram medidas experimentais evidenciando um pequeno gap eletrônico em tubos considerados metálicos. Protótipos de transístores compostos de nanotubos e moléculas orgânicas conjugadas foram propostos e foi observado que o recobrimento dos tubos por moléculas de pentaceno tornava os dispositivos menos suscetíveis à deposição de impurezas, o que diminuía a histerese na curva característica i x V, ao mesmo tempo que a formação de cristais de pentaceno era favorecida. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica dos nanotubos (5,5) e (9,0) través de DFT e observamos presença de um gap nesses sistemas, assim como uma deformação de suas estruturas de ligações químicas, evidenciando a distorção de Peierls. O efeito do termo de troca de Hartree-Fock introduzido no funcional B3LYP foi avaliado variando-se seu peso e observando as propriedades destes sistemas. Em uma segunda etapa, utilizamos mecânica molecular e dinâmica molecular clássica com o campo de forças CVFF 950 e observamos a formação de estruturas de pentaceno em volta dos tubos, evidenciando o favorecimento da formação de cristais do mesmo quando depositado sobre os nanotubos. / Carbon Nanotubes and conducting polymers are strong candidates for use in nanoscale electronic devices. Theoretical studies claimed that 1/3 of the nanotubes are metallic, while the others are semiconductors, but some groups have reported experimental measurements of a small electronic gap in tubes considered metallic. Prototype transistors made of nanotubes and organic conjugated molecules were proposed and it has been noticed that the coverage of the tubes by pentacene molecules made those trasistors less susceptible to impurity deposition, reducing the hysteresis in the characteristic I x V curve, while the formation of pentacene cristals was favored. In this work, we studied the electronic structure of the nanotubes (5,5) and (9,0) using DFT and noticed an electronic gap in those systems, as well as a deformation of their structures, similar to a Peierls distortion. The effect of the Hartree-Fock exchange included in the B3LYP functional was studied, as we varied its weight to obtain some properties of those systems. Later, we used molecular mechanics and classical molecular dynamics with the CVFF 950 force field and obtained structures compatible with pentacene crystals around the tubes, showing that the tubes in fact favor the formation of of these structures around them.