Solution-processed organic field-effect transistors: from fundamental aspects to applications

Abstract

En esta tesis hemos estudiado varios factores relacionados con los transistores orgánicos de efecto campo (OFETs) procesados por solución, incluyendo su fabricación, su caracterización eléctrica y posibles aplicaciones, especialmente en el campo de sensores físicos. En este trabajo se han utilizado principalmente disoluciones de diferentes semiconductores orgánicos (OSC) de pequeña molécula tipo-p y polímeros aislantes. La deposición de estas mezclas para obtener las capas activas de los OFETs se ha llevado a cabo mediante una técnica de procesado por solución escalable, en concreto la denominada bar-assisted meniscus shearing (BAMS). El propósito principal de este trabajo ha sido comprender la influencia que tienen los parámetros de fabricación elegidos sobre las propiedades morfológicas y estructurales de las capas activas resultantes, y, por tanto, su impacto en las propiedades eléctricas de los dispositivos finales. Se ha realizado un estudio detallado a escala nanométrica de capas basadas en OSC:polímero aislante, descifrando la separación vertical de ambos componentes y el efecto que tiene sobre la estabilidad y el rendimiento de los dispositivos. Además, se han explorado diferentes métodos de dopaje con el objetivo de mejorar las características eléctricas de los OFETs que sufren de una alta resistencia de contacto. También se ha estudiado la relación entre propiedades morfológicas y eléctricas empleando dispositivos flexibles sometidos a tensión mecánica. Finalmente, gracias a la optimización de los parámetros de procesado se han fabricado OFETs con una alta sensibilidad a radiación de rayos-X, explicando a su vez cómo la morfología y el transporte de carga en la capa activa determinan la respuesta de estos dispositivos.

In this thesis we have studied several aspects related to organic field-effect transistors (OFETs) printed from solution, including their fabrication, their electrical characterisation, and further applications, especially in the field of physical sensing. Blends of different p‑type small molecule organic semiconductors (OSCs) and insulating polymer binders have been employed in this research work. For the deposition of such blends as active layers for OFETs a scalable solution processing technique has been exploited, namely bar‑assisted meniscus shearing (BAMS). The main purpose of the work carried out has been understanding the influence of the fabrication parameters of choice on the morphological and structural features of the resulting active layer and, thus, their impact on the electrical performance of the final devices. A detailed nanoscale study of OSC:insulating polymer thin films has been conducted, elucidating the vertical stratification of both components and its effect on the devices stability and performance. Further, aiming at improving the electrical characteristics of devices exhibiting high contact resistance values, different doping methodologies have been explored. In addition, the morphology-performance relationship has been studied for flexible OFET devices subjected to mechanical strain. Finally, OFETs exhibiting high sensitivity to X-ray radiation have been fabricated by optimising the processing parameters, rationalising how the morphological and transport properties of the active layer determine the sensing capability of such devices.