Dielectric properties of organic-based thin films integrated into rolled-up capacitors

Abstract

O conhecimento dos efeitos de polarização em filmes finos de semicondutores orgânicos traz grandes benefícios para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos. No entanto, a incorporação de conjuntos moleculares em dispositivos híbridos funcionais, estabelecendo um contato elétrico superior que preserve a sua integridade, ainda é um desafio. Uma abordagem eficaz para contornar esse problema usando técnicas convencionais de microfabricação em 2D consiste no uso de nanomembranas autoenroladas, que proporcionam um contato mecânico confiável entre conjuntos moleculares e eletrodos metálicos através da liberação controlada de estruturas planares do substrato. Este trabalho começa relatando a integração de conjuntos de metal-ftalocianinas (viz. CuPc, CoPc e F16CuPc) de 5 nm de espessura em capacitores baseados em nanomembranas autoenroladas, posteriormente caracterizados por medidas de espectroscopia de impedância em função de temperatura (de 6 a 300 K), para a investigação da polarização elétrica dos conjuntos de semicondutores orgânicos. Para baixas temperaturas, tais filmes apresentam permissividade independente da temperatura, mas fortemente dependente das interfaces híbridas orgânico/inorgânico, enquanto os tempos de relaxação calculados são mais provavelmente relacionados a polarização de cada estrutura molecular. Estes resultados também suportam o design determinístico dos capacitores baseados em nanomembranas como uma alternativa confiável para o estudo das propriedades dielétricas de conjuntos moleculares, o que estimula a exploração de materiais mais complexos, novos e intrinsecamente desafiadores como dielétricos com espessuras na nanoescala incorporados aos capacitores enrolados. Neste contexto, o próximo material escolhido para investigação em tais dispositivos pertence à classe de materiais híbridos porosos denominados estruturas metal-orgânicas suportadas em superfície (SURMOFs), um grupo promissor que surge para atender a demanda por isolantes robustos para a tecnologia de dielétricos entrecamadas. A adequação dos SURMOFs para a eletrônica vem de seu baixo custo, alta versatilidade, low-κ, excelente controle de morfologia e propriedades mecânicas robustas. Porém, sua porosidade intrínseca representa um obstáculo para o estabelecimento de contato superior confiável para investigação elétrica de filmes finos desses materiais. Portanto, filmes ultrafinos de HKUST-1 SURMOF são integrados aos capacitores baseados em nanomembranas para acessar suas propriedades dielétricas com considerável precisão. Um valor de κ igual a 2,0 ± 0,5 e uma robusta resistência à ruptura de 2,8 MVcm-1 são obtidos para os filmes com espessuras abaixo de 80 nm. Além disso, a estrutura autoencapsulada fornece uma boa proteção para o SURMOF em relação a diferentes exposições perigosas. Com base nos dados experimentais, cálculos de elementos finitos foram empregados para comparar o desempenho do HKUST-1 com isolantes já aplicados na eletrônica (SiO2 e Al2O3) como camada dielétrica e indicam que o HKUST-1 apresenta melhor desempenho em estruturas de interconexão, revelando um candidato promissor para aplicação como dielétrico entrecamadas para novos eletrônicos. Os resultados obtidos neste estudo fornecem uma base para novas aplicações desses materiais na eletrônica orgânica e híbrida.

The knowledge of organic semiconductor thin-film polarization effects brings benefits to developing novel electronic devices. However, the incorporation of few-molecule active layers into functional hybrid devices by establishing a top electrical contact, and yet preserving their overall integrity, is still an obstacle. An effective approach to circumvent this issue using conventional microfabrication techniques consists of using self-rolled nanomembranes, which provide a mechanical reliable contact between molecular ensembles and metal electrodes via the controlled releasing of planar structures from the substrate. This work begins by reporting the integration of 5 nm-thick metal-phthalocyanine ensembles (viz. CuPc, CoPc, and F16CuPc) into self-rolled nanomembrane-based capacitors, posteriorly characterized by impedance spectroscopy measurements as a function of temperature (from 6 to 300 K), for the investigation of the dielectric polarization on the ensembles of organic semiconductors. At low temperatures, the permittivity of the molecular ensembles is found temperature-independent, but strongly dependent on the organic/inorganic hybrid interfaces, while the calculated relaxation times are more likely related to each single-molecule polarization. These results also support the deterministic design of the nanomembrane-based capacitor as a reliable alternative for the study of the dielectric properties for molecular-composed thin films, stimulating the exploitation of further complex, newer, and intrinsically challenging materials as dielectrics in the nanoscale thickness incorporated into the rolled-up capacitors. In this context, the next material chosen for investigation in such device structure belongs to the class of porous hybrid materials called Surface-Supported Metal-Organic Frameworks (SURMOFs), a promising group that rises to solve the demand for robust insulators in the interlayer dielectrics technology. The suitability of SURMOFs for electronics originates from their low cost, high versatility, low-κ, excellent morphology control, and robust mechanical properties. However, their intrinsic porosity represents an obstacle to the establishment of a reliable top electrode for the electric investigation of thin films for such materials. Therefore, ultrathin films of HKUST-1 SURMOF are integrated into the nanomembrane-based capacitors to access their dielectric properties with considerable accuracy. A low-κ value of 2.0 ± 0.5 and robust breakdown strength of 2.8 MVcm-1 are obtained for films with thicknesses below 80 nm. Furthermore, the spontaneous self-encapsulated structure provides good protection for the SURMOF towards different hazardous exposure. Based on the experimental data, finite-element calculations were employed to compare the HKUST-1 performance as the dielectric layer with well-established insulators applied in electronics (SiO2 and Al2O3), and the results indicate that HKUST-1 exhibits better dielectric performance between interconnect structures, placing it as a promising candidate for application as an interlayer dielectric for novel electronics. The new results obtained in this study provide the basis for novel applications of such materials in organic and hybrid electronics.