Device Performance Optimisation and Photoresponse of Printed Organic Field-Effect Transistors

Abstract

En aquesta tesis s’investiguen diversos aspectes dels transistors orgànics d’efecte de camp (OFETs), tal com la seva fabricació, caracterització elèctrica i aplicacions. S’han preparat pel·lícules primes de diferents semiconductors orgànics (OSCs) de tipus p basats en molècules conjugades petites i mescles d’aquests OSCs amb polímers aïllants utilitzant la tècnica “bar-assisted meniscus shearing” (BAMS). Aquestes pel·lícules s’han implementat com a capa activa en OFETs. Aquest treball s’ha centrat principalment en comprendre com els diferents paràmetres involucrats en la fabricació d’aquests dispositius estan afectant el rendiment dels OFETs. A més, s’estudien diferents metodologies de dopatge amb l’objectiu de millorar les característiques elèctriques i l’estabilitat dels OFETs fabricats. S’ha demostrat que dopant els OFETs es pot reduir amb èxit la resistència de contacte del dispositiu i omplir les trampes dels portadors de càrrega. Això s’ha estudiat en profunditat realitzant mesures elèctriques i a escala nanomètrica utilitzant la tècnica de microscòpia de força amb sonda Kelvin. A més, en dispositius amb els contactes dopats, s’ha aconseguit inhibir la difusió del dopant cap al canal del dispositiu fent servir molècules dopants que no són planes i també utilitzant com a polímer poliestirè d’alt pes molecular. Això va resultar en OFETs estables a llarg termini. Finalment, es va investigar la influència de la naturalesa del polímer aïllant en la resposta elèctrica del dispositiu així com en la seva resposta a la llum ultravioleta. Canviant el polímer es va modificar la densitat de trampes d’electrons/forats i això va permetre optimitzar les característiques elèctriques i la foto-resposta dels OFETs

En esta tesis investigamos varios aspectos de los transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs), incluida su fabricación, caracterización eléctrica y aplicaciones. Se han preparado películas delgadas de diferentes semiconductores orgánicos (OSCs) de tipo p basados en moléculas conjugadas pequeñas y mezclas de estos OSCs con polímeros aislantes utilizando la técnica “bar-assisted meniscus shearing” (BAMS). Estas películas se han implementado como capas activas en OFETs. Este trabajo se ha centrado principalmente en comprender cómo los diferentes parámetros involucrados en la fabricación de estos dispositivos están afectando el rendimiento de los OFETs. Además, se estudiaron diferentes metodologías de dopaje con el objetivo de mejorar las características eléctricas y la estabilidad de los OFETs fabricados. Se ha demostrado que dopando los OFETs se puede reducir con éxito la resistencia de contacto del dispositivo y llenar las trampas de los portadores de carga. Esto se ha estudiado en profundidad realizando mediciones eléctricas y a escala nanométrica usando la técnica de microscopía de fuerza con sonda Kelvin. Además, en dispositivos con los contactos dopados, se ha conseguido inhibir la difusión del dopante hacia el canal del dispositivo empleando moléculas dopantes que no son planas y también usando como polímero poliestireno de alto peso molecular. Esto resultó en OFETs estables a largo plazo. Finalmente, se investigó la influencia de la naturaleza del polímero aislante en la respuesta eléctrica del dispositivo así como en su respuesta a la luz ultravioleta. Cambiando el polímero se modificó la densidad de trampas de electrones/huecos y esto permitió optimizar las características eléctricas y la foto-respuesta de los OFETs.

In this thesis, we investigate several aspects of organic field-effect transistors (OFETs), including their fabrication, electrical characterisation, and applications. Thin films of different p-type small molecule organic semiconductors (OSCs) and blends of these OSCs with insulating polymer binders have been prepared using the bar-assisted meniscus shearing (BAMS) technique and implemented as active layers in OFETs. This work has been mainly focused on understanding how the different parameters involved in the fabrication of these devices are affecting the OFET performance. Moreover, different doping methodologies were studied, aiming at improving the electrical characteristics and stability of the fabricated OFETs. It has been shown that the doping of the OFETs can successfully reduce the device contact resistance and fill the charge carrier trap states. This has been studied in depth by performing electrical measurements and at the nanoscale with Kelvin Probe Force Microscopy. In addition, dopant diffusion inhibition has been achieved for effective contact doping employing non-planar dopants and also using as binding polymer polystyrene of high molecular weight. This resulted in long-term stable OFETs. Finally, the influence of the nature of the binding polymer on the device electrical response and photoresponse to UV light was investigated. The modification of the binding polymer tuned the hole/electron trap density and allowed to optimize the electrical characteristics and photoresponsivity of the OFETs.