Recocido in situ mejora la movilidad de OFETs de TIPS-pentaceno depositados por spray coating

Resumen

Fabricamos transistores de efecto de campo orgánicos (OFET) de compuerta inferior y contacto superior usando un enfoque de spray coating e investigamos el impacto del recocido in situ durante la deposición. Comparado con el recocido posterior convencional, un recocido in situ a 60 °C aumentó la movilidad de efecto de campo de 0,056 a 0,191 cm²/Vs —una mejora casi cuádruple. Microscopía óptica, microscopía de fuerza atómica (AFM) y difracción de rayos X (XRD) revelaron que la mejora de movilidad proviene de una cristalización superior y un empaquetamiento altamente ordenado de TIPS-pentaceno.

Antecedentes

Los OFET son prometedores para electrónica flexible, pantallas, etiquetas RFID y circuitos lógicos [1–7]. Diversos métodos de deposición —recubrimiento por cuchilla, impresión por inyección de tinta, huecograbado y spray coating— se han explorado para crear dispositivos de alto rendimiento [6–16]. El spray coating es particularmente atractivo por su bajo requerimiento de disolvente, alto rendimiento y compatibilidad con sustratos diversos [17–19].

Estudios recientes han examinado tamaño de gota [16], composición de disolvente [20], y calentamiento de sustrato [21–26] para mejorar la cristalinidad de la película. Sin embargo, el papel del recocido in situ durante el spray coating permanece poco explorado. El procesamiento en solución convencional a menudo necesita largos pasos de horneado que interrumpen la producción. Introducir un simple protocolo de recocido in situ podría acelerar la fabricación preservando o mejorando el rendimiento del dispositivo.

En este trabajo, aplicamos recocido in situ a 60, 90 y 120 °C durante la deposición por spray de TIPS-pentaceno sobre dieléctricos de PMMA. El tratamiento a 60 °C produjo la mayor movilidad (0,191 cm²/Vs), atribuible a mejor cristalinidad y orden molecular, confirmado por microscopía y XRD.

Métodos

La arquitectura del dispositivo se ilustra en Fig. 1(a). PMMA (100 mg/mL en anisole) se depositó por spin coating a 520 nm y se horneó a 150 °C durante 1 h. Una capa de 30 nm de TIPS-pentaceno (3 mg/mL en diclorobenceno) se depositó por spray coating a 20 μL/s desde altura de boquilla 12 cm, mientras el sustrato se mantenía a la temperatura deseada. Finalmente, electrodos de fuente/drenaje de Au de 50 nm se evaporaron térmicamente mediante máscara sombra (ancho/longitud de canal = 1 cm / 100 μm). El espesor de TIPS-pentaceno se determinó restando el espesor de PMMA del total medido con profilómetro de paso. Las características eléctricas se registraron con un Keithley 4200 en aire. La movilidad se extrajo del régimen de saturación usando la ecuación estándar de curva de transferencia. La morfología se examinó por microscopía óptica (U‑MSSP4, Olympus), AFM (MFP‑3D‑BIO, Asylum Research) y XRD (TD‑3500, Dandong, 30 kV, 20 mA).

Resultados y Discusión

El Dispositivo A se fabricó con recocido posterior a 120 °C (20 min). Dispositivos B, C y D emplearon recocido in situ a 60, 90 y 120 °C respectivamente. Curvas de transferencia y salida (Fig. 2) demuestran comportamiento tipo p típico. La Tabla 1 resume métricas clave de rendimiento.

Con recocido in situ a 60 °C (Dispositivo B), la movilidad subió a 0,191 cm²/Vs, y el voltaje umbral se desplazó positivamente de –1,7 a –0,9 V. En contraste, tratamientos a 90 °C y 120 °C degradaron el rendimiento: μ cayó a 0,04 y 0,0005 cm²/Vs, y V_TH se desplazó a +2,0 V. El swing subumbral aumentó con la temperatura de recocido, indicando mayores densidades de trampas en la interfaz dieléctrico/semiconductor [27].

Microscopía óptica (Fig. 3) reveló granos grandes y alargados para Dispositivo B, mientras que Dispositivos C y D mostraban granos más pequeños y circulares. Imágenes AFM (Fig. 4) confirmaron que la película a 60 °C poseía granos bien ordenados con fronteras escasas, mientras que temperaturas más altas producían islas pequeñas densamente empaquetadas que impiden el transporte de carga. XRD (Fig. 5) mostró los picos Bragg (00l) más fuertes para Dispositivo B, confirmando cristalinidad superior. La intensidad de pico reducida a 90 °C y 120 °C correlaciona con el declive de rendimiento observado.

Conclusiones

OFETs de TIPS-pentaceno depositados por spray coating con recocido in situ a 60 °C exhiben un aumento cuádruple de movilidad (0,191 cm²/Vs) comparado con recocido posterior convencional. Esta mejora proviene de cristalinidad mejorada y crecimiento de grano ordenado, evidenciado por análisis óptico, AFM y XRD. El recocido in situ ofrece por tanto una ruta escalable y de bajo coste a OFETs de alto rendimiento aptos para electrónica flexible y otras aplicaciones emergentes.