In order to shrink the size of semiconductor devices and improve their
efficiency at the same time, silicon-based semiconductor devices have
been engineered, until the material almost reaches its performance
limits. As the candidate to be used next in semiconducting devices,
single-wall carbon nanotubes show a great potential due to their
promise of increased device efficiency and their high charge carrier
mobilities in the nanometer size active areas. However, there are
material based problems to overcome in order to imply SWNTs in the
semiconductor devices. SWNTs tend to aggregate in bundles and it is
not trivial to obtain an electronically or chirally homogeneous SWNT
dispersion and when it is done, a homogeneous thin film needs to be
produced with a technique that is practical, easy and scalable. This
work was aimed to solve both of these problems.
In the first part of this study, six different polymers, containing
fluorene or carbazole as the rigid part and bipyridine, bithiophene or
biphenyl as the accompanying copolymer unit, were used to selectively
disperse semiconducting SWNTs. With the data obtained from
absorption and photoluminescence spectroscopy of the corresponding
dispersions, it was found out that the rigid part of the copolymer plays a
primary role in determining its dispersion efficiency and electronic
sorting ability. Within the two tested units, carbazole has a higher π
electron density. Due to increased π−π interactions, carbazole
containing copolymers have higher dispersion efficiency. However, the
electronic sorting ability of fluorene containing polymers is superior.
Chiral selection of the polymers in the dispersion is not directly
foreseeable from the selection of backbone units. At the end, obtaining a monochiral dispersion is found to be highly dependent on the used raw
material in combination to the preferred polymer.
Next, one of the best performing polymers due to high chirality
enrichment and electronic sorting ability was chosen in order to
disperse SWNTs. Thin films of varying thickness between 18 ± 5 to
755o±o5 nm were prepared using vacuum filtration wet transfer method
in order to analyze them optically and electronically.
The scalability and efficiency of the integrated thin film production
method were shown using optical, topographical and electronic
measurements. The relative photoluminescence quantum yield of the
radiative decay from the SWNT thin films was found to be constant for
the thickness scale. Constant roughness on the film surface and linearly
increasing concentration of SWNTs were also supporting the scalability
of this thin film production method. Electronic measurements on bottom
gate top contact transistors have shown an increasing charge carrier
mobility for linear and saturation regimes. This was caused by the
missing normalization of the mobility for the thickness of the active
layer. This emphasizes the importance of considering this dimension for
comparison of different field effect transistor mobilities. / Um die Verkleinerung in Halbleiterbauelementen zu erreichen und
gleichzeitig ihre Effizienz zu verbessern, wurden Halbleiterbauelemente
auf Siliziumbasis entwickelt, bis das Material seine
Leistungsgrenzen nahezu erreicht hat. Als zukünftiger Kandidat, der in
halbleitenden Geräten Verwendung finden wird, zeigen einwandige
Kohlenstoff−Nanoröhren ein großes Potenzial für eine erhöhte
Geräteeffizienz. Grund dafür sind ihre hohen
Ladungsträger−Mobilitäten in den ein paar Nanometergroßen aktiven
Flächen. Allerdings gibt es materialbasierte Probleme zu überwinden
um SWNTs in den Halbleiterbauelementen zu implizieren. SWNTs
neigen dazu in Bündeln zu aggregieren. Eine Herausforderung ist
zudem eine elektronische oder chiral homogene
Kohlenstoffnanorohr−Dispersion zu erhalten. Ein weiteres Problem ist,
aus diesen Kohlenstoffnanorohr−Dispersion einen homogenen
Dünn−Film mit einer Technik herzustellen die praktisch, einfach und
skalierbar ist. Diese Arbeit zielte darauf ab, diese beiden Probleme zu
lösen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden sechs verschiedene Polymere, die
Fluoren oder Carbazol als starren Teil und Bipyridin, Bithiophen oder
Biphenyl als begleitende Copolymereinheit enthielten, verwendet um
selektiv halbleitende SWNTs zu dispergieren. Mit den aus der
Absorptions− und Photolumineszenzspektroskopie erhaltenen Daten
der entsprechenden Dispersionen wurde herausgefunden, dass der
starre Teil des Copolymers eine primäre Rolle bei der Bestimmung
seiner Dispersionseffizienz und der elektronischen Sortierfähigkeit
spielt. Innerhalb der beiden getesteten Einheiten hat Carbazol eine
höhere π−Elektronendichte. Aufgrund erhöhter π−π Wechselwirkungen haben Carbazol−haltige Copolymere eine höhere Dispersionseffizienz.
Die elektronische Selektivität von fluorenhaltigen Polymeren ist
gegenüber Carbazol enthaltenden Polymeren höher. Die chirale
Selektivität der Polymere in der Dispersion ist nicht direkt vor der
Auswahl der Grundgerüsteinheiten vorhersehbar. Am Ende wird das
Erhalten einer monochiralen Dispersion im hohen Maße von den
verwendeten Rohmaterialien in Kombination mit dem bevorzugten
Polymer abhängig gemacht.
Im nächsten Schritt wurde ein Polymer ausgewählt der durch eine hohe
Chiralitätanreicherung besticht und zudem eine gute elektronische
Sortierfähigkeit besitzt, um SWNTs zu dispergieren. Dünnfilme
unterschiedlicher Dicke, zwischen 18 ± 5 bis 755 ± 5 nm, wurden unter
der Verwendung eines Vakuumfiltrations−Nassübertragungsverfahrens
hergestellt um sie daraufhin optisch und elektronisch zu analysieren.
Die Skalierbarkeit und Effizienz des integrierten Dünnschichtherstellungsverfahrens
wurde anhand optischer, topographischer und
elektronischer Messungen gezeigt. Die relative Photolumineszenzquantenausbeute
des Strahlungsabfalls aus den SWNT−Dünnfilmen
wurde für den Dickenmaßstab konstant gehalten. Eine konstante
Rauigkeit auf der Filmoberfläche und eine linear zunehmende
Konzentration von SWNTs unterstützten auch die Skalierbarkeit dieses
Dünnfilmherstellungsverfahrens. Elektronische Messungen am „bottom
gate – top contact Transistoren“ zeigten eine zunehmende Ladungsträgermobilität
für Linear− und Sättigungsregionen. Dies wurde durch
die fehlende Normalisierung der Ladungsträgermobilität für die Dicke
der aktiven Schicht verursacht. Betrachtet man die Wichtigkeit, diese
Dimension für den Vergleich verschiedener Feldeffekttransistor−
Mobilitäten zu betrachten, so deutet diese Feststellung auch darauf hin,
dass es eine Skalierung in der Dicke in Bezug auf die berechneten
Mobilitäten für die Feldeffekttransistoren gibt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:16239 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Namal, Imge |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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