РАЗНОВИДНОСТИ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ОЛИГОТИОФЕНОВ

Органический транзистор на эффекте поля

Интерес к органическим транзисторам на полевом управлении (OFET) возник в конце прошлого столетия. Основан на идеи использования в полевом транзисторе органического полупроводника (рис. 1). В 2009 году подвижность OFET смогла приблизиться к достаточным значениям для использования в технологическом применении [1]. Некоторые из критических параметров для молекул, которые влияли на подвижность, были включены в молекулярную ориентацию и привязаны к его характеристикам. Обычная толщина полупроводникового слоя в OFET имеет толщину от 50 до 100 нм и включает несколько слоёв молекул.

Рисунок 1. Устройство органического транзистора с полевым управлением [1]

В начале 21 столетия массово стали применять органические тонкоплёночные транзисторы (TOFETs), которые можно было использовать в основе активных матриц дисплеев, электронной бумаги, гибкой электронике и химических сенсорах [2]. В процессе TFT вырос в органический свето-излучающий диод (светодиод) (OLED). Как и тонкоплёночные транзисторы светодиод может быть сделан с минимальным количеством олигомеров [3] или полимеров [4].

В TFT органический полупроводник и затвор диэлектрика осаждаются из раствора. Линии в ряд, сделанные из проводимого материла, используют как металлические электроды. Дисплеи, основанные на тонкоплёночных транзисторах, состоят из последовательно установленных транзисторов в ряды [5]. TOFETs примечательны своими размерами и возможностью использования в гибкой электронике.

Одномолекулярный диод

Следующую ступень занимает одномолекулярный диод, в котором используется не слой, как было ранее, а только одна молекула органического вещества (рис. 2). Одномолекулярный диод основан на асимметричной молекуле содержащей мост между донорами и акцепторами для того, чтобы сымитировать p-n переход. Молекулярные диоды имеют ограниченный потенциал из-за их малой проводимости, малого коэффициента выпрямления и крайней чувствительности. Сейчас для создания симметричного молекулярного диода можно использовать два электрода одинакового металла, создавая разрыв симметрии для изменения напряженности в области одного из электродов [6].

В разрыве между контактами золото-золото помещается симметричная молекула, и в итоге получается симметричная структура. Электрический двойной слой на кончике и подложке, сформированные когда ионы растворяются в полярном растворителе, передвигаются для того, чтобы рассеять электрическое поле за счёт энергетических потерь на металле.

В одномолекулярном диоде, благодаря этому методу достоверно и воспроизводимо достигаются значения коэффициента выпрямления свыше 200 на напряжениях 370 мВ, используя симметричный олигомер тиофен-1,1-диоксид [7].

Рисунок 2. Схематическое изображение одномолекулярной связи в полярном растворителе. Связь работает как диод [4]

На электрической диаграмме (рис. 3) при использовании смещения сдвигаются химические потенциалы электродов и открывается транспортное окно, где электроны могут туннелировать (рис. 3а). При отрицательном напряжении молекулярный резонанс переместится к закрытому потенциалу кончика (по отношению от подложки), но останется на той же дистанции от химического потенциала, что и подложка. Электроны могут туннелировать сквозь большую область (зелёная область) (рис. 3б). В случае положительного смещения напряжения резонанс молекул перемещается от химического потенциала кончика к химическому потенциалу подложки, в то время как он остаётся неизменным по отношению к химическому потенциалу подложки. В этом случае электроны могут туннелировать сквозь небольшую область (красную) молекулярного резонанса, что даёт слаботочное состояние для этого смещения полярности (рис. 3в).

Рисунок 3. Энергетическая диаграмма молекулярной связи при нулевом напряжении(а) при напряжении ниже нуля(б) и напряжением выше нуля(в). T – кончик диода, S – подложка [7]

Одномолекулярный транзистор

Использование одной молекулы всегда привлекало своими размерами. В 2000 году был сделан первый одномолекулярный транзистор, используя лишь одну молекулу C₆₀ [8]. В устройстве одномолекулярного транзистора ток между истоком и стоком регулируется напряжением поданным на затвор. Молекула располагалась между золотыми электродами.

При создании одномолекулярного транзистора необходимо понимать, что для в случае тонкого барьера (<нм) может произойти утечка на затвор в процессе квантового туннелирования, которая уменьшается экспоненциально с увеличением толщины изолятора. Однако увеличение толщины изолятора увеличивает пороговое напряжение. Толщина изолятора также обозначает уменьшение отношения между приложенным напряжением и уровнем смещения. Кроме максимального общего сдвига уровня, вызванного полем с затвора, следует также сравнивать сдвиг уровня энергии между ближайшим химическим потенциалом молекулярного перехода и энергией Ферми электродов. Для того, чтобы уменьшить энергию необходимую для перескока через молекулу, связанный химический потенциал должен находиться науровне энергии Ферми. Таким образом, индуцированным затвором ограничивается общее смещение уровней. Молекула в одномолекулярных транзисторах, как правило, размером более 40 нм. Более короткие молекулы имеют слишком высокий уровень расщепления.

Список литературы:

1. Dholakia G. R., Facchetti A., Marks T. J. Monolayer to Multilayers Nanostructural Evolution in N type Oligothiphenes: Implications for OFET Performance //une. – 2016. – Т. 13. – С. 15.
2. Halik M. et al. Relationship between molecular structure and electrical performance of oligothiophene organic thin film transistors //Advanced Materials. – 2003. – Т. 15. – №. 11. – С. 917-922.
3. Tang C. W., VanSlyke S. A. Organic electroluminescent diodes //Applied physics letters. – 1987. – Т. 51. – №. 12. – С. 913-915.
4. Burroughes J. H. et al. Light-emitting diodes based on conjugated polymers //nature. – 1990. – Т. 347. – №. 6293. – С. 539-541.
5. Gelinck G. H. et al. Flexible active-matrix displays and shift registers based on solution-processed organic transistors //Nature materials. – 2004. – Т. 3. – №. 2. – С. 106-110.
6. Cuevas J. C. Single-molecule diodes: The environment does the trick //Nature nanotechnology. – 2015. – Т. 10. – №. 6. – С. 486-487.
7. Dell E. J. et al. Molecular length dictates the nature of charge carriers in single-molecule junctions of oxidized oligothiophenes //Nature chemistry. – 2015. – Т. 7. – №. 3. – С. 209-214.
8. Park H. et al. Nanomechanical oscillations in a single-C60 transistor //Nature. – 2000. – Т. 407. – №. 6800. – С. 57-60.