From Thin Films to Monolayer, A Systematic Approach for BTBT Based Organic Field Effect Transistors

Doctoral thesis English OPEN
Yousefi Amin, Atefeh (2013)
  • Subject: Halbleiter | Transistor | Selbstorganisation | Elektronik | Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
    • ddc: ddc:620

This work focuses on theoretical and experimental understanding of how low-voltage organic field effect transistors based on BTBT ([1] benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene) operate. The focus is in deducing the electrical and interfacial landscape in the device, while using ultra-thin hybrid layers of AlOx/SAM (Self-Assembled Monolayer) as a dielectric. This thesis proposes a systematic study on an optimum solution for facing challenges in molecular and device properties. It first focuses on different chemical designs of molecules in a bottom gate-top contact configuration TFTs. Then it tries to solve the facing challenges such as high threshold voltage with tuning the dielectric interface polarity. The charge transport, and contact resistance on the optimized chemical design are studied, according to solid-state physics. This work precisely explores the effect of SAM polarity and alkyl side chains, in contact and channel resistances. The contact resistance is found to vary with choice of hybrid dielectric layer underneath, number of alkyl side chains, and contact doping. Channel resistance shows a clear dependency to grain sizes affected by surface energy. General procedure of device fabrication is based on thin film high vacuum evaporated film; however, solution casting of semiconductor is presented beside. Desirable electrical parameters as well as air stability were obtained nominating BTBTs for market applications. At the end, the BTBT molecule is introduced successfully in self assembled monolayer devices based on single layer of molecules having the role of both dielectric and semiconductor (SAMFET molecular device). Diese Arbeit soll zum theoretischen und experimentellen Verständnis von Feldeffektransistoren auf Basis von BTBT-Halbleiter beitragen (BTBT steht für [1]benzothieno[3,2-b][1]- benzothiophene), die bei niedrigen Spannungen betrieben werden können. Der Hauptteil widmet sich der Herleitung der elektrischen und Oberflächen-Eigenschaften von Bauelementen, die eine ultra-dünne Hybridschicht, bestehend aus AlOx und einer SAM, als Dielektrikum verwenden. SAMs (engl. self assembled monolayer) sind selbstorganisierende Monolagen von einem Molekül Höhe. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden systematisch BTBT-Moleküle mit unterschiedlichen Seitenkettenarchitekuren untersucht, der Schwerpunkt liegt hier auf der Optimierung des Oberflächen- und Ladungstransports mit Hilfe von SAMs. Es werden Materialeigenschaften, Bauteilcharakteristiken und Oberflächencharakteristiken verschiedener chemischer Substanzen von Halbleitern der BTBT-Familie untersucht. Dabei werden ausgezeichnete elektrische Parameter sowie Stabilität in der Luft erreicht, die BTBTs für Anwendungen im Markt qualifizieren. Diese vorliegende Sudie präzesiert den Effekt der Polarität der selbstorganisierende Monolage, ebenso wie die elektrischen Parameter, die Oberflächeneigenschaften, und den Widerstand zwischen Kontakt und Kanal (engl. contact-channel resistance). Es zeigt sich, dass der Widerstand mit der Wahl der Hybridschicht des Dielektrikums variiert, ebenso wie mit der Zahl der Alkyl-Seitenketten am Halbleiter und der Dotierung des Kontakts. Der Kanalwiderstand (engl. channel resistance) zeigt eine klare Abhängigkeit von der Korngröße (engl. grain size) des Halbleiters. Die Herstellung der Bauelemente basiert auf thermischer Sublimation des Halbleiters unter Hochvakuum. Ferner wird auch eine Technik der Lösungsprozessierung zur Aufbringung der Halbleiter vorgestellt. Schließlich werden in dieser Doktorarbeit selbstaufbauende Feldeffekt-Bauelemente (SAMFET, engl. self-assembling field effect transistors) auf der Basis von BTBT vorgestellt. Es kann die erfolgreiche Charakterisierung dieser Bauelemente und ihrer Oberflächeneigennschaften mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM, engl. atomic force microscopy) und Röntgenreflektionsmessungen (XRR, engl. X-ray reflectivity) berichtet werden.
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