Microfabrication and characterization of vertical organic field-effect transistors based on rolled-up drain electrode

Abstract

Nas últimas décadas têm sido observada uma crescente tendência de estudo e desenvolvimento de transistores de efeito de campo orgânicos, os OFETs (acrônimo em inglês para organic field-effect transistors), para aplicações nas mais diversas áreas. Dispositivos eletrônicos orgânicos surgiram como um fenômeno tecnológico por conta de suas propriedades inerentes, tais como flexibilidade e deformabilidade, além do grande potencial da compatibilidade com materiais biológicos. Contudo, apresentam elevadas tensões de operação em comparação a dispositivos inorgânicos. Este problema foi contornado por meio de uma mudança na arquitetura: um arranjo vertical de todas as camadas que compõem o dispositivo, o que leva a formação do canal de condução ao longo da espessura da camada ativa do transistor. Este dispositivo foi denominado como transistor de efeito de campo orgânico com arquitetura vertical ou VOFET (acrônimo em inglês para vertical organic field-effect transistors). Apesar de isto garantir baixo consumo de energia, ainda existem alguns aspectos limitantes, como por exemplo o efeito de blindagem do eletrodo da fonte e a deposição de filmes metálicos sobre camadas orgânicas ultra-finas. Recentemente, o conceito de VOFETs foi ampliado pelo desenvolvimento de uma nova plataforma que utiliza nanomembranas enroladas para formar o eletrodo de dreno desses transistores, os VOFETs baseados em nanomembranas enroladas ou r-VOFETs (acrônimo em inglês para rolled-up nanomembrane based VOFET). Esta proposta permite a fabricação de transistores com canais de condução ultrafinos e emprega um eletrodo de fonte com perfurações retangulares definidas por meio de litografia óptica e deposição de filmes finos. Com isso em mente, neste trabalho, propõem-se novas estratégias para aprimorar o desempenho da plataforma do r-VOFET e investigar mais a fundo o seu princípio de operação. Foram obtidos resultados consistentes com trabalhos anteriores, os dipositivos apresentaram baixas tensões de operação (<-5 V) e melhora na faixa da razão on/off (~104-105). Em contraste com o mecanismo de operação sugerido, nenhuma evidência de uma dependência linear entre o número de bordas do eletrodo de fonte e a corrente de saída (o denominado “efeito de bordas”) foi observada. Constatou-se que a permeabilidade ao campo elétrico do gate do eletrodo de fonte (medido pelo “Fator de Preenchimento”, FF) desempenha a maior influência sobre a modulação da corrente. Portanto, com o intuito de explorar a promissora combinação de canal de condução ultracurto e a facilidade de interação entre estímulos externos e a camada ativa do dispositivo, investigou-se a possibilidade de aplicação da plataforma r-VOFET como fototransistor. Os resultados obtidos foram impressionante, tal como alta fotosensibilidade (~104) e rápido tempo de resposta (~8,2 s), demonstrando grande potencial para tecnologias de sensoriamento.

The past decade has seen a growing trend toward the investigation and development of organic field-effect transistors (OFETs) for several applications. Organic electronics have emerged as a phenomenon because of their inherent features such as flexibility and stretchability, in addition to the great potential to interface with biological systems. However, one of the main obstacles is the high operating voltages compared to inorganic counterparts. Such a problem was addressed by a change in the architecture design, a vertical stacking of the device layers and the formation of the conducting channel along the transistor's active layer thickness. This device was named VOFET (vertical organic field-effect transistor). Although the approach guarantees lower power consumption, this architecture still has some limiting factors, including the source electrode screening effect and metal deposition on top of ultra-thin organic layers. Recently, a novel architecture that involves the preparation of drain electrode by rolling-up metallic nanomembranes has expanded the VOFET concept. The rolled-up nanomembrane-based VOFET (r-VOFET) allows the incorporation of ultra-thin organic semiconductor layers and employs a patterned source electrode defined by photolithography and thin-film deposition. Accordingly, in this work, we proposed new strategies to improve the performance and investigate the operating principle of the r-VOFET platform. Our findings are consistent with previous studies, our devices exhibited low operating voltages (<-5 V) and enhanced on/off ratio (~104-105). In contrast to the operating mechanism suggested, there was no evidence of a linear dependence between the number of source-electrode edges and the output current (the so-called “edge-driven mechanism”). We discovered that the source electrode permeability to the gate electric field (measured by the “Fill Factor” value, FF) plays a major role in current modulation. Finally, to explore the promising combination of ultra-short conducting channel and facilitated external stimuli with the device's active layer, we conducted a study about the application of the r-VOFET platform as a phototransistor. We observed impressive results, such as high photosensitivity (~105) and fast response time (~8.2 s), thus demonstrating great potential for sensing technologies.