Quiroga, Santiago David
(2010)
In situ real-time investigation of Organic Ultra-Thin-Film transistors: growth, electrical properties and biosensing applications, [Dissertation thesis], Alma Mater Studiorum Università di Bologna.
Dottorato di ricerca in
Scienze chimiche, 22 Ciclo. DOI 10.6092/unibo/amsdottorato/2891.
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Abstract
Negli ultimi decenni l’organica elettronica ha subito un’importante crescita spinta da diversi risultati alquanto incoraggianti e dalle potenziali nuove applicazioni che possono dare luogo agli innumerevoli materiali organici esistenti, tra cui gli schermi flessibili e di grande superficie, i circuiti stampabili a basso costo, le celle solari plastiche e i dispositivi di tipo “lab-on-a-chip”. Inoltre, i campi di applicazione sono così vasti da comprendere medicina, biotecnologia, processi di automazione e monitoraggio dei parametri ambientali, nonché la difesa e la sicurezza. Tuttavia un considerevole numero di domande deve ancora trovare risposta. Tra queste il meccanismo di operazione, che rimane senza essere completamente compreso e la correlazione tra la morfologia e la risposta elettrica dei dispositivi. Nonostante si sia ampiamente riconosciuto l’importante ruolo che il modo di crescita ha sulla prestazione dei dispositivi, non è stata realizzata un’investigazione esaustiva dell’argomento.
Il principale obbiettivo di questa tesi è quindi quello di trovare una correlazione tra i modi di crescita e le proprietà elettriche in transistor a film sottile (TFTs) di pentacene. Al fine di studiare la dipendenza della prestazione elettrica dei TFTs di pentacene al variare dello spessore, si è proceduto all’ideazione e alla costruzione di una strumentazione sperimentale ad hoc, che permettesse di realizzare misurazioni elettriche in tempo reale e caratterizzazioni in situ alla fine della deposizione. Abbiamo provveduto alla crescita di dispositivi TFTs di pentacene in condizione di alto vuoto, variando metodologicamente la velocità di deposizione a temperatura ambiente prefissata. Durante la crescita, la corrente di drain IDS e la corrente di gate IGS sono state monitorate in tempo reale e al termine di ogni deposizione si è proceduto alla caratterizzazione elettrica in situ. Alla fine si è investigato sulla morfologia ex situ con l’utilizzo di un microscopio di forza atomica (AFM).
Nel presente lavoro si riporta la correlazione valida per TFTs di pentacene tra le condizioni di crescita, la lunghezza di Debye e la morfologia (quantificata attraverso la lunghezza di correlazione). Abbiamo dimostrato che i portatori di carica vengono distribuiti nei layers a seconda del modo di crestita eseguito dal film (che dipende dalla velocità di deposizione per una data temperatura), il quale porta a una variazione del canale attivo dai 2 ai 7 monolayers (MLs). I nostri risultati hanno conciliato altri riportati in precedenza, che sembravano alquanto contradittori e hanno evidenziato la necessità di rielaborare il concetto di lunghezza di Debye in dispositivi a strati a bassa dimensione. Inoltre, per la prima volta, si presenta un’innovativa tecnica che indica l’avvenimento della percolazione attraverso il monitoraggio elettrico della IGS durante la deposizione del film sottile, correlando i fenomeni morfologici con quelli elettrici.
Il capitolo 1 di questa tesi ci introduce nel mondo dell’elettronica organica e ci spiega il funzionamento del TFT. Il capitolo 2, ci spiega la crescita dei materiali organici, offrendo prima un fondamento teorico per poi passare alla sperimentazione; dopodiché si esibisce la prestazione elettrica tipica dei dispositivi di pentacene e si presenta la suddetta tecnica correttiva sugli effetti della corrente di fuga. Nel capitolo 3 si presenta la strumentazione costruita ad hoc per il monitoraggio elettrico in tempo reale e in situ; si illustrano inoltre alcuni risultati preliminari, assieme alla suddetta tecnica “breakthrough”. Intanto, nel capitolo 4, si riportano i più rilevanti risultati ottenuti in tempo reale e in situ, che correlano il modo di crescita, le proprietà elettriche e la morfologia dei TFTs di pentacene. Infine, il capitolo 5, si concentra nello studio sulla risposta elettrica dei dispositivi TFTs di pentacene in contatto con l’ambiente, con acqua e altre soluzioni acquose e, principalmente, della sua applicazione nella biosensoristica come sensore di concentrazione di DNA.
Abstract
Negli ultimi decenni l’organica elettronica ha subito un’importante crescita spinta da diversi risultati alquanto incoraggianti e dalle potenziali nuove applicazioni che possono dare luogo agli innumerevoli materiali organici esistenti, tra cui gli schermi flessibili e di grande superficie, i circuiti stampabili a basso costo, le celle solari plastiche e i dispositivi di tipo “lab-on-a-chip”. Inoltre, i campi di applicazione sono così vasti da comprendere medicina, biotecnologia, processi di automazione e monitoraggio dei parametri ambientali, nonché la difesa e la sicurezza. Tuttavia un considerevole numero di domande deve ancora trovare risposta. Tra queste il meccanismo di operazione, che rimane senza essere completamente compreso e la correlazione tra la morfologia e la risposta elettrica dei dispositivi. Nonostante si sia ampiamente riconosciuto l’importante ruolo che il modo di crescita ha sulla prestazione dei dispositivi, non è stata realizzata un’investigazione esaustiva dell’argomento.
Il principale obbiettivo di questa tesi è quindi quello di trovare una correlazione tra i modi di crescita e le proprietà elettriche in transistor a film sottile (TFTs) di pentacene. Al fine di studiare la dipendenza della prestazione elettrica dei TFTs di pentacene al variare dello spessore, si è proceduto all’ideazione e alla costruzione di una strumentazione sperimentale ad hoc, che permettesse di realizzare misurazioni elettriche in tempo reale e caratterizzazioni in situ alla fine della deposizione. Abbiamo provveduto alla crescita di dispositivi TFTs di pentacene in condizione di alto vuoto, variando metodologicamente la velocità di deposizione a temperatura ambiente prefissata. Durante la crescita, la corrente di drain IDS e la corrente di gate IGS sono state monitorate in tempo reale e al termine di ogni deposizione si è proceduto alla caratterizzazione elettrica in situ. Alla fine si è investigato sulla morfologia ex situ con l’utilizzo di un microscopio di forza atomica (AFM).
Nel presente lavoro si riporta la correlazione valida per TFTs di pentacene tra le condizioni di crescita, la lunghezza di Debye e la morfologia (quantificata attraverso la lunghezza di correlazione). Abbiamo dimostrato che i portatori di carica vengono distribuiti nei layers a seconda del modo di crestita eseguito dal film (che dipende dalla velocità di deposizione per una data temperatura), il quale porta a una variazione del canale attivo dai 2 ai 7 monolayers (MLs). I nostri risultati hanno conciliato altri riportati in precedenza, che sembravano alquanto contradittori e hanno evidenziato la necessità di rielaborare il concetto di lunghezza di Debye in dispositivi a strati a bassa dimensione. Inoltre, per la prima volta, si presenta un’innovativa tecnica che indica l’avvenimento della percolazione attraverso il monitoraggio elettrico della IGS durante la deposizione del film sottile, correlando i fenomeni morfologici con quelli elettrici.
Il capitolo 1 di questa tesi ci introduce nel mondo dell’elettronica organica e ci spiega il funzionamento del TFT. Il capitolo 2, ci spiega la crescita dei materiali organici, offrendo prima un fondamento teorico per poi passare alla sperimentazione; dopodiché si esibisce la prestazione elettrica tipica dei dispositivi di pentacene e si presenta la suddetta tecnica correttiva sugli effetti della corrente di fuga. Nel capitolo 3 si presenta la strumentazione costruita ad hoc per il monitoraggio elettrico in tempo reale e in situ; si illustrano inoltre alcuni risultati preliminari, assieme alla suddetta tecnica “breakthrough”. Intanto, nel capitolo 4, si riportano i più rilevanti risultati ottenuti in tempo reale e in situ, che correlano il modo di crescita, le proprietà elettriche e la morfologia dei TFTs di pentacene. Infine, il capitolo 5, si concentra nello studio sulla risposta elettrica dei dispositivi TFTs di pentacene in contatto con l’ambiente, con acqua e altre soluzioni acquose e, principalmente, della sua applicazione nella biosensoristica come sensore di concentrazione di DNA.
Tipologia del documento
Tesi di dottorato
Autore
Quiroga, Santiago David
Supervisore
Dottorato di ricerca
Scuola di dottorato
Scienze chimiche
Ciclo
22
Coordinatore
Settore disciplinare
Settore concorsuale
Parole chiave
Organic Thin Film Transistors
Pentacene
Electrical Characterization
Real-Time Technique
Biosensor
URN:NBN
DOI
10.6092/unibo/amsdottorato/2891
Data di discussione
4 Giugno 2010
URI
Altri metadati
Tipologia del documento
Tesi di dottorato
Autore
Quiroga, Santiago David
Supervisore
Dottorato di ricerca
Scuola di dottorato
Scienze chimiche
Ciclo
22
Coordinatore
Settore disciplinare
Settore concorsuale
Parole chiave
Organic Thin Film Transistors
Pentacene
Electrical Characterization
Real-Time Technique
Biosensor
URN:NBN
DOI
10.6092/unibo/amsdottorato/2891
Data di discussione
4 Giugno 2010
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