Improving charge injection in organic field-effect transistors by surface modification of source and drain electrodes

• Auteur / Autrice : Hyeok Kim
• Direction : Gilles Horowitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, Electronique organique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors à effet de champ

Diodes

Électronique organique

Résumé

La perspective de l'électronique flexible nécessite le développement de transistors à effet de champ organiques (OFET) ouvrant la voie à des dispositifs de grande surface, parmi lesquels des écrans flexibles, des cartes à puce intelligentes et des capteurs. Pour améliorer les performances électriques des OFET, un problème majeur est celui de l'injection des porteurs de charge à l'interface entre les électrodes et le semi-conducteur organique. Cette sujet de cette thèse est dédié à l'optimisation de l'injection des porteurs de charge par la modification des électrodes au moyen de couches auto-assemblées (SAM) composées de molécules comportant un squelette biphényl. L'intérêt de ces molécules est de présenter une résistance série très inférieure à celle des chaînes alkyles, majoritairement utilisées jusqu'à présent. Les SAM fonctionnalisées avec du fluor en position terminale jouent permettent une amélioration substantielle de l'injection des porteurs de charge grâce, d'une part, à un effet dipolaire résultant en un abaissement de la barrière d'injection à l'interface entre l'électrode et le semi-conducteur, et d'autre part en favorisant une meilleure organisation cristalline du semi-conducteur, aussi bien en structure OFET qu'en géométrie de diode coplanaire. La caractérisation morphologique des SAM pour déterminer l'orientation des molécules ont permis d'optimiser l'injection des porteurs de charge. L'amélioration de l'injection avec le biphényl fluoré se manifeste par une augmentation de la densité de courant et une observation claire d'un courant limité par la charge d'espace (SCLC), comparé au cas du biphényl non fluoré et d'une électrode d'or nu. Dans les OFET, nous remarquons une réduction significative de la résistance de contact. Par ailleurs, nous observons également une amélioration de l'injection après la modification des électrodes avec des SAM comportant un silane comme groupe d'ancrage

A prospect of flexible electronics lines with the development of high performance organic field effect transistors (OFETs) that enables cost-effective and large-area electronic devices such as flexible displays, smart cards and sensors. In order to improve the electrical performance of OFETs, a crucial issue concerning charge injection at the interface of electrode/organic semiconductor is recently rising. The dissertation is dedicated to investigate charge injection via the modification of electrodes with self assembled monolayers (SAMs) based on biphenyl backbone bearing extremely lower resistance to its counterpart with aikyl chain and its application to organic electronic devices. Functionalized SAMs with fluorine at the end group plays a substantial role to improve charge injection through a dipolar effect to decrease barrier height at the electrode/semiconductor interface and a better morphology of organic semiconductor both in a planar diode and OFETs. Morphological characterization on SAMs to determine the orientation of the molecules renders an effective application of SAMs to elaborate highly improved electronic devices. Augmented charge injection through the introduction of fluorinated biphenyl thiol (FBPS) leads largely enhanced current density and clear observation of space-charge limited current (SCLC) as compared to the cases of biphenyl thiol (BPS) and bare Au in planar diodes. This is extended to significant enhancement of electrical performance such as field effect mobility and contact resistance in OFET. Moreover, improved charge injection through the modification of electrodes with functionalized SAMs is also exhibited by the intervention of silane anchoring group to the SAMs in planar diodes.