Politechnika Łódzka

Wydział Chemiczny

INSTRUKCJA LABORATORIUM

„Optyczne i elektryczne metody badań właściwości cienkich warstw niskocząsteczkowego półprzewodnika organicznego otrzymywanych metodą wylewania strefowego

Instrukcję opracowała:

mgr inż. Izabela Tszydel

mgr inż. Sylwia Kotarba

Łódź, 2011

SPIS TREŚCI

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)……………………………………………………………………….……………2

2. WPROWADZENIE (Introduction)…………………………………………………………………………………….2

3. Opis metody wylewania strefowego stosowanej do uzyskiwania cienkich
   warstw materiałów półprzewodnikowych ……………………………………………………………………3

4. Tranzystory z efektem polowym uzyskane na warstwach aktywnych związków organicznych ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,…………………………………………………………………………………..……. 5

5. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure) ……………………………………………………………………………….8

1. Aparatura pomiarowa……………………………………………………………………………..……………. 8

2. Wykonanie ćwiczenia…………………………………………………………………………………………….. 8

1. Przygotowanie roztworów roboczych………………………………………………………..…………… 8

5.2.2 Uzyskanie warstwy z użyciem metody wylewania strefowego……………………….…………. 8

1. Badanie właściwości elektrycznych warstw uzyskanych z PTCDI-C5…………………………9

6. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)………………………………………………………….……..10

1. Cel ćwiczenia……………………………………………………………………………………………………..…..10

1. Metodyka pomiarów………………………………………………………………………………………………10

2. Wyniki pomiarów …………………………………………………………………………………………………..10

3. Opracowanie wyników pomiarów………………………………………………………………….……….10

7. Wnioski………………………………………………………………………………………………………………….,11

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)……………………………………………………………..11

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)

Celem ćwiczenia, jest poznanie współczesnych metod służących do analizy właściwości optycznych i elektrycznych cienkich warstw półprzewodników organicznych otrzymanych techniką wylewania strefowego (ang. zone-casting).

2. WPROWADZENIE (Introduction)

W ostatnich latach nastąpił bardzo szybki rozwój organicznej elektroniki zwaną także elektroniką plastikową. Związane jest to z relatywnie małymi kosztami wytwarzania elementów opartych na bazie półprzewodników organicznych w porównaniu z tradycyjnymi technologiami np. próżniowymi. Najlepszym przykładem mogą tu być produkowane na szeroką skalę wyświetlacze ciekłokrystaliczne. Sukces wielu pomysłów realizowanych w zakresie nanotechnologii zależy przede wszystkim od zdolności wytwarzania cienkich filmów, których grubość nie przekracza kilkuset nanometrów. Najpopularniejszymi metodami stosowanymi, w celu uzyskania cienkich warstw wykorzystywanych w elektronice ioptoelektronice są: metody drukowania (z ang. Inkjet printing), wylewania na wirujące podłoże (z ang. spin-coating) oraz nanoszenie przez sublimację (ang. thermal evaporation).
W przypadku materiałów organicznych otrzymywanie cienkich filmów realizuje się przez nanoszenie próżniowe (ang. vacuum deposition), oraz metody roztworowe (ang. solution deposition) - są to dwie główne grupy technik wytwarzania cienkich warstw. Jakość oraz sposób otrzymywania warstw organicznych wytwarzanych metodami roztworowymi w bardzo dużym stopniu zależy od właściwości fizykochemicznych materiału, które to narzucają zastosowanie określonych technik w celu wytworzenia ciągłych, cienkich warstw aktywnych do zastosowań w elektronice i optoelektronice.

3. Opis metody wylewania strefowego stosowanej do uzyskiwania cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych

W 1983r. w wyniku współpracy Katedry Fizyki Molekularnej Politechniki Łódzkiej oraz Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych (CBMiM) Polskiej Akademii Nauk w Łodzi opracowano metodę wylewania strefowego (ang. zone-casting). Technika ta pozwala na uzyskiwanie na dużych powierzchniach cienkich, zorientowanych warstw półprzewodników organicznych. Tak uzyskane warstwy znalazły zastosowanie między innymi jako warstwy aktywne w tranzystorach unipolarnych z izolowaną bramką. W metodzie wylewania strefowego przygotowany roztwór (np. związków organicznych) o odpowiednio dobranym stężeniu umieszcza się w stacjonarnej dyszy aparatu skąd jest dozowany, z odpowiednią prędkością, na przesuwające się podłoże. W wyniku odparowywania rozpuszczalnika w menisku znajdującym się pomiędzy stacjonarną dyszą a podłożem, powstaje gradient stężenia i temperatury , które powodują, iż molekuły stają się coraz mniej mobilne i w konsekwencji następuje tzw. zamrożenie fazy krystalicznej. Parametrami, które mają najistotniejszy wpływ na jakość warstwy są: stężenie roztworu, temperatura podłoża i roztworu, rodzaj rozpuszczalnika oraz szybkości przesuwu podłoża i dozowania roztworu. Warstwy otrzymywane tą metodą osiągają grubość od 200 nm do kilku m zależnie od rodzaju nanoszonego materiału oraz parametrów wylewania. Metodą zone-casting nanoszone są m. in. niskocząsteczkowe związki organiczne np. pochodne oligotiofenów, bis-etylenoditiolotetratiafulwalenu czy perylenu.

4. TRANZYSTORY Z EFEKTEM POLOWYM UZYSKANE NA WARSTWACH AKTYWNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Jednym z podstawowych urządzeń elektronicznych, których budowa oparta jest na cienkich warstwach półprzewodników organicznych, jest organiczny tranzystor z efektem polowym OFET (ang. Organic Filed Effect transistor). Głównymi elementami składowymi tranzystora polowego są: bramka G (ang. Gate), elektrody źródła S (ang. Source) i drenu D (ang. Drain), warstwa aktywna półprzewodnika oraz izolator bramki. Bardzo często elektrodę bramki stanowi wafel krzemowy, na którym znajduje się termicznie naniesiony dwutlenek krzemu stanowiący izolatror. Na takie podłoże zostaje naniesiona warstwa półprzewodnika organicznego, który stanowi warstwę aktywną. Następnym krokiem technologicznym jest próżniowe naparowanie elektrod źródła i drenu. Schemat tak wytworzonego tranzystora przedstawia rysunek 1.

Istota działania tranzystora polowego polega na sterowaniu prądem płynącym między dwiema elektrodami: źródłem i drenem, w obszarze zwanym kanałem, za pomocą zmian potencjału przyłożonego do trzeciej elektrody - bramki V_g. Prąd płynący między elektrodami źródła i drenu, nazywany prądem drenu I_d, stanowią nośniki większościowe półprzewodnika. W półprzewodnikach typu n mamy przewodnictwo elektronowe natomiast w półprzewodnikach typu p nośnikami większościowymi są dziury. Nośniki ładunku dostarczane są przez elektrodę źródła i odbierane przez elektrodę drenu, do których przyłożone jest napięcie źródła i drenu V_ds.

Rysunek 1. Schemat tranzystora polowego z izolowaną bramką wytworzonego z zastosowaniem metody zone-casting.

Wydajność tranzystora polowego z izolowaną bramką zależy w dużym stopniu od takich parametrów jak: orientacja cząsteczek przewodzących, opór na granicy ziaren oraz wielkość ziaren materiału przewodzącego.

Głównymi parametrami opisującymi tranzystor są: ruchliwość nośników ładunku _FET, współczynnik włącz/wyłącz (ON/OFF) oraz napięcie progowe V_th (ang. threshold Voltage). Dobry tranzystor z efektem polowym charakteryzuje się wysoką ruchliwością nośników ładunku, wysokim współczynnikiem ON/OFF oraz niskim napięciem progowym.

Wyznaczenie głównych parametrów pracy tranzystorów polowych opiera się na pomiarach wyjściowych oraz przejściowych charakterystyk prądowo-napięciowych. Przykładowe charakterystyki dla FET wytworzonego na warstwie półprzewodnika organicznego typu p na podłożu Si/SiO₂ przedstawione są na rysunku 2. Z równania nr 1 możliwe jest obliczenie jednego z głównych parametrów pracy tranzystora, tj. ruchliwości _FET.

Rys 2. Przykładowa charakterystyka uzyskana dla tranzystora polowego na warstwie półprzewodnika organicznego typu p (a) przejściowa (UDS=const.(-40V)), (b) charakterystyka wyjściowa. L=70m,W=2mm.

Ruchliwość nośników ładunku obliczana jest na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej z obszaru nasycenia.

_OFET = 2I_DSATL[WCi(U_GS - U_T)²]⁻¹ (1)

w którym kolejne oznaczenia to:

_OFET - ruchliwość nośników ładunku [cm²V^-1s^-1],

I_DSAT - prąd nasycenia źródło-dren [A],

L - długość kanału [m],

W - szerokość kanału [mm],

Ci - pojemność na jednostkę powierzchni [Fm^-2],

U_GS - napięcie bramki [V],

U_T - napięcie progowe [V].

5.PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)

1. Metodyka badawcza

Do wykonania ćwiczenia potrzebne będą:

Szkło laboratoryjne:

- zestaw płytek szklanych

- buteleczki szklane (4ml)

- pipety automatyczne wraz z wymiennymi końcówkami

- mieszadła magnetyczne

Materiały:

-PTCDI-C5 (N,N′-Difentylo-3,4,9,10-perylenodikarboksyimid)

Odczynniki:

- chloroform (cz.d.a)

5.2. Wykonanie ćwiczenia

5.2.1 Przygotowanie roztworów

Ćwiczenie odbywa się w pomieszczeniu o podwyższonej klasie czystości tzw. „clean-room” w związku z tym obowiązują tu fartuchy bezpyłowe, czepki osłaniające włosy oraz jednorazowe obuwie. WSZYSTKIE CZYNNOŚCI WYKONUJE SIĘ W JEDNORAZOWYCH REKAWICZKACH.

Pierwszy etap ćwiczenia obejmuje przygotowanie 2ml roztworu PTCDI-C5 w chloroformie HPLC o stężeniu 16mg/ml. W celu całkowitego rozpuszczenia materiału w buteleczce należy umieścić dipol magnetyczny a następnie buteleczkę z roztworem umieścić na polu grzejnym grzałki elektrycznej. Roztwór mieszać w 35^oC przez ok. 5 min. Przygotowany roztwór posłuży do uzyskania cienkich zorientowanych warstw za pomocą metody wylewania strefowego.

5.2.2 Uzyskanie warstwy z użyciem metody wylewania strefowego.

Używając szklanej strzykawki załączonej do aparatury nabrać 1ml przygotowanego roztworu. Strzykawkę umieścić w stacjonarnej dyszy. Odpowiednio przygotowane podłoże szklane umieścić na podgrzewanym, przesuwnym stoliku. Za pomocą kontrolera szybkości przesuwu i temperatury zarówno roztworu jak i podłoża ustawić podane parametry procesu:

T roztworu 35^oC

T podłoża 35^oC

Szybkość przesuwu podłoża 200 m/s

Szybkość dozowania roztworu 50 m/s

Kolejne warstwy uzyskujemy w analogiczny sposób zmieniając szybkość dozowania roztworu na: 100 m/s oraz 200 m/s.

Po otrzymaniu pożądanych warstw aparaturę należy dokładnie umyć stosując chloroform (cz.d.a) (wszystkie czynności wykonywane są pod wyciągiem).

5.2.3 Badanie właściwości optycznych warstw uzyskanych z PTCDI-C5

W celu sprawdzenia dwójłomności optycznej uzyskanych cienkich warstw półprzewodnikowych należy wykonać zdjęcia za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego, przy skrzyżowanych polaryzatorach w zależności od kierunku wylewania warstwy.

5.2.4 Badanie właściwości elektrycznych warstw uzyskanych z PTCDI-C5

Dla tranzystorów polowych, wykonać serię charakterystyk prądowo-napięciowych,. W tym celu do elektrod źródła i drenu oraz bramki należy podłączyć mikromanipulatory, które są połączone z dwoma źródłami napięciowymi Keithley 2400. Następnie po sprawdzeniu układu przez osobę prowadzącą włączyć pomiar przy zadanych parametrach. Charakterystyki wykonać dla podanej przez prowadzącego liczby tranzystorów. Uzyskane z przeprowadzonych pomiarów dane zapisać na nośniku danych.

6. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

6.1 Cel ćwiczenia

Należy własnymi słowami zdefiniować cel ćwiczenia

1. Metodyka pomiarów

Należy krótko przedstawić opis wykonanych czynności z uzasadnieniem ich celowości. W razie ewentualnych odstępstw od przedstawionego w instrukcji przepisu opisać je wraz z wyjaśnieniem przyczyn ich zaistnienia. Zamieścić niezbędne obliczenia.

2. Wyniki pomiarów

Zamieścić uzyskane zdjęcia uzyskane za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego warstw oraz charakterystyki prądowo-napięciowe zarówno wyjściowe, jak i przejściowe wszystkich badanych tranzystorów.

3. Opracowanie wyników pomiarów

Korzystając z równania (1) dla każdego z mierzonych tranzystorów obliczyć ruchliwość nośników ładunku _FET, podać współczynnik włącz/wyłącz, napięcie progowe oraz obliczyć szybkość załączania tranzystora - SS.

Na podstawie uzyskanych danych wskazać tranzystor, który cechują najlepsze parametry.

• Wnioski

Sformułować wnioski dotyczące zastosowanej metody badawczej, porównać otrzymaną wartość uzyskanej ruchliwości _FET z wartością literaturową.

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

• Pogotowie ratunkowe: 999

• Straż pożarna: 998

• Policja: 997

• Straż miejska: 986

• Pogotowie ciepłownicze: 993

• Pogotowie energetyczne: 991

• Pogotowie gazowe: 992

• Pogotowie wodociągowe: 994

• Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112

Laboratorium pn „Optyczne i elektryczne metody badań właściwości cienkich warstw…” realizowane w ramach Zadania nr 10 2

ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.

www. ife.p.lodz.pl pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów

tel. [phone] w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy

042 638 38 26 i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”

(a) (b)

---