Orientador: Prof. Dr. Ivo Alexandre Hümmelgen / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Curso de Pós-Graduação em Física. Defesa: Curitiba, 15/12/2017 / Inclui referências : f. 93-102 / Resumo: O trabalho atual investiga a melhoria das propriedades de transporte de carga em transistores de efeito de campo de baixa tensão (FETs), que utilizam poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil) (P3HT) não-100% e 100% regioregular como os semicondutores orgânicos, e poli(álcool vinílico) reticulado (cr-PVA) como isolante. O trabalho de pesquisa realizado durante o projeto pode ser dividido em duas partes. A primeira parte investiga a melhoria das propriedades de transporte de carga na interface cr-PVA/P3HT, e a influência de defeitos de regioregularidade de P3HT nas propriedades da interface. A segunda parte demonstra a preparação de filmes finos que consistem em moléculas alinhadas de P3HT 100% regioregular e, consequentemente, a aplicação desses filmes alinhados para o desenvolvimento de dispositivos de alto desempenho. No caso da primeira parte, o problema essencial é que o transporte de carga na interface de cr-PVA/P3HT está limitado pela presença de armadilhas na interface que correspondem aos dipolos de superfície de cr-PVA. Esses dipolos de superfície possuem a capacidade de modificar a distribuição de carga em moléculas adjacentes de P3HT, o que pode levar à localização e a captura de cargas. Isso representa um problema fisico complexo, sendo que a variação de energia potencial na interface depende da posição e orientação das armadilhas dipolares em relação às moléculas de P3HT. No entanto, a solução é conceitualmente simples, pois, em princípio, é apenas necessário passivar as armadilhas. Para conseguir isso, é apresentada uma técnica experimental econômica, na qual a superfície de cr-PVA é tratada com um surfactante catiônico, brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB). As cabeças hidrofílicas carregadas positivamente de CTAB visam a passivação das armadilhas carregadas negativamente da superfície de cr-PVA. A deposição de CTAB sobre o cr-PVA, em relação ao cr-PVA somente, resulta em aumento significativo na capacitância do isolanate (Ci), e as imagens de microscopia de força atômica (AFM) mostram que a superfície de cr-PVA é coberta com grãos de surfactante bem conectados. Em caso de dispositivos baseados em P3HT não-100% regioregular, este tratamento resulta em uma melhora da mobilidade de efeito de campo (?FET) por um fator de ~3 (?FET médio de 0.44 cm2/V.s) quando comparado aos dispositivos não tratados. Para investigar como o tratamento do surfactante modifica o transporte de carga na interface, a variação de ?FET em função da espessura efetiva do gargalo do canal (l0) também é analisada e discutida detalhadamente. Curiosamente, ao contrário dos dispositivos baseado em P3HT não-100% regioregular, o tratamento com surfactante em dispositivos baseado em P3HT 100% regioregular resulta em degradação de ?FET e do desempenho geral dos dispositivos. Isso indica que a interação de defeitos de regioregularidade e armadilhas de superfície de cr-PVA é um fator crítico que afeta as propriedades de transporte de carga na interface cr-PVA/P3HT. Para investigar este assunto, a interação das moléculas de P3HT não-100% e 100% regioregular com dipolos de superfície de cr-PVA é investigada usando espectroscopia de absorbância, AFM e cálculos de química quântica. Observa-se que, dependendo da presença ou ausência de defeitos de regioregularidade de P3HT (e, portanto, da planaridade molecular), o contato entre as moléculas de P3HT e os dipolos de superfície de cr-PVA afeta a ordem molecular do P3HT de forma diferente. Por causa dos defeitos de regioregularidade, as moléculas de polímero não-100% regioregular produzem momentos de dipolo mais altos em comparação com moléculas 100% regioregular. Consequentemente, discute-se como a interação de moléculas de P3HT não-100% e 100% regioregular com dipolos de cr-PVA contribuem à desordem energética na interface cr-PVA/P3HT. Neste caso, o transporte de carga em dispositivos de FET é investigado para quatro espessuras diferentes de P3HT não-100% e 100% regioregular. Os resultados elétricos mostram que o comportamento de ?FET × l0 e a dependência de ?FET na espessura do canal são uma função forte da presença ou ausência de defeitos de regioregularidade de P3HT. Neste trabalho, os dispositivos (não tratados) baseados em P3HT 100% regioregular demonstram ?FET tão alto quanto 1.20 cm2/V.s. Esses valores tornam esses dispositivos reconhecíveis para a integração em várias aplicações comerciais. No entanto, um desenho de circuitos para muitas outras aplicações de alto desempenho impõem um requisito de ?FET mais rigoroso (> 5 cm2/V.s). Para alcançar este marco, na segunda parte do projeto de pesquisa, está apresentada uma técnica de deposição simples (chamado, floating-film transfer method, em inglês), que permite o alinhamento supra-molecular das moléculas de P3HT 100% regioregular. A aplicação de filmes de polímero alinhados em FETs resulta em valores de ?FET de até 8 cm2/V.s, que é o valor mais alto reportado até agora para os FETs baseados em P3HT. Palavras-chaves: Transistores orgânicos de efeito de campo, poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil) livre de defeitos, regioregularidade, poli(álcool vinílico) reticulado, interface isolante/semicondutor, armadilhas dipolares. / Abstract: The current work investigates the improvement of charge transport properties in low-voltage organic field-effect transistors (OFETs) that utilize non-100% and 100% regioregular poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as the organic semiconductors, and cross-linked poly(vinyl alcohol) (cr-PVA) as the gate insulator. The essential research work performed during the project can be divided into two parts. The first part investigates the improvement of charge transport properties at the cr-PVA/P3HT interface, and the influence of regioregularity defects of P3HT on interface properties. The second part demonstrates the development of high performance OFETs based on supra-molecularly aligned thin films of 100% regioregular P3HT. In the case of the first part, the essential problem in hand is that charge transport at the cr-PVA/P3HT interface is limited by the presence of charge traps at the interface corresponding to the surface dipoles of cr-PVA. These surface dipoles hold the ability to modify charge distribution on adjacent P3HT molecules, which can lead to localization and trapping of otherwise mobile charge carriers. This presents a physically complex problem, since the potential energy variations at the interface depends on the position and orientation of the dipolar traps with respect to P3HT molecules. However, the solution is conceptually simple since, in principle, it is only required to passivate the traps. In order to achieve this, a cost-effective experimental technique is presented, in which the cr-PVA surface is treated with a cationic surfactant, hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB). The positively charged hydrophilic heads of CTAB are aimed at passivating the negatively charged traps of the cr-PVA surface. The deposition of CTAB over cr-PVA leads to significant enhancement in gate insulator capacitance (Ci), and the atomic force microscopy (AFM) images show that the cr-PVA surface is covered with well-connected surfactant grains. In the case of non-100% regioregular P3HT OFETs, this treatment results in an improvement of field-effect mobility (?FET) by a factor of ~3 (average ?FET of 0.44 cm2/V.s) when compared to untreated devices. In order to investigate how the surfactant treatment modifies charge transport at the interface, variation of ?FET as a function of the effective bottleneck thickness of the conducting channel (l0) is also analyzed and thoroughly discussed. Quite interestingly, contrary to non-100% regioregular P3HT devices, the surfactant treatment in 100% regioregular P3HT devices leads to degradation of ?FET and overall device performance. This indicates that the interaction of regioregularity defects and cr-PVA surface traps is a crucial factor affecting charge transport properties at the cr-PVA/P3HT interface. In order to address this issue, the interaction of non-100% and 100% regioregular P3HT molecules with cr-PVA surface dipoles is investigated using UV-vis absorbance spectroscopy, AFM and quantum chemical calculations. It is observed that, depending on the presence or absence of regioregularity defects of P3HT (and thus the molecular planarity); the intimate contact between P3HT molecules and cr-PVA surface dipoles affects the molecular order of P3HT differently. Because of the regioregularity defects, the non-100% regioregular polymer molecules produce higher dipole moments compared to 100% regioregular molecules. Consequently, it is discussed how the interaction of non-100% and 100% regioregular P3HT molecules with cr-PVA surface dipoles contribute differently to the potential energy variations at the cr-PVA/P3HT interface. In this case, the charge transport in FET devices is investigated for four different thicknesses of both non-100% and 100% regioregular P3HT. The electrical results reveal that the behavior of ?FET × l0 and the dependence of ?FET on channel thickness are a strong function of the presence/absence of the regioregularity defects of P3HT. In this project, the untreated 100% regioregular P3HT devices demonstrate ?FET as high as 1.20 cm2/V.s. Such high values make these devices recognizable for translation to various commercial applications. However, the circuit designs of many other high performance applications impose a more stringent ?FET requirement (> 5 cm2/V.s). In order to achieve this landmark, in the second part of the research project, a simple and cost-effective deposition technique (floating-film transfer method) is presented, which allows supra-molecular alignment of 100% regioregular P3HT molecules. The application of aligned polymer films in FET devices leads to the demonstration of ?FET values as high as 8 cm2/V.s, which is the highest value reported so far for P3HT based OFETs. Keywords: Organic field-effect transistors, defect-free poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), regioregularity, cross-linked poly(vinyl alcohol), insulator/semiconductor interface, dipolar charge traps.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/53109 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Nawaz, Ali |
| Contributors | Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduaçao em Física, Hummelgen, Ivo Alexandre, 1963- |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Inglês |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 104 f. : il. algumas color., gráfs., tabs., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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