Electrolyte-Gated Organic Thin-Film Transistors

نویسنده

  • Lars Herlogsson
چکیده

There has been a remarkable progress in the development of organic electronic materials since the discovery of conducting polymers more than three decades ago. Many of these materials can be processed from solution, in the form as inks. This allows for using traditional high-volume printing techniques for manufacturing of organic electronic devices on various flexible surfaces at low cost. Many of the envisioned applications will use printed batteries, organic solar cells or electromagnetic coupling for powering. This requires that the included devices are power efficient and can operate at low voltages. This thesis is focused on organic thin-film transistors that employ electrolytes as gate insulators. The high capacitance of the electrolyte layers allows the transistors to operate at very low voltages, at only 1 V. Polyanion-gated pchannel transistors and polycation-gated n-channel transistors are demonstrated. The mobile ions in the respective polyelectrolyte are attracted towards the gate electrode during transistor operation, while the polymer ions create a stable interface with the charged semiconductor channel. This suppresses electrochemical doping of the semiconductor bulk, which enables the transistors to fully operate in the field-effect mode. As a result, the transistors display relatively fast switching (! 100 "s). Interestingly, the switching speed of the transistors saturates as the channel length is reduced. This deviation from the downscaling rule is explained by that the ionic relaxation in the electrolyte limits the channel formation rather than the electronic transport in the semiconductor. Moreover, both unipolar and complementary integrated circuits based on polyelectrolyte-gated transistors are demonstrated. The complementary circuits operate at supply voltages down to 0.2 V, have a static power consumption of less than 2.5 nW per gate and display signal propagation delays down to 0.26 ms per stage. Hence, polyelectrolyte-gated circuits hold great promise for printed electronics applications driven by low-voltage and low-capacity power sources. Populärvetenskaplig Sammanfattning I slutet av 1970-talet fann man att det var möjligt att göra vissa typer av polymerer (plaster) elektriskt ledande. Denna upptäckt lade grunden till ett helt nytt forskningsområde, i gränslandet mellan fysik och kemi, kallat organisk elektronik. Efter många år av forskning och utveckling är det idag möjligt att tillverka en mängd olika elektroniska komponenter, som t.ex. transistorer, lysdioder och solceller, av organiska material. Ett exempel på en produkt som redan tagit sig ut på marknaden är bildskärmar baserade på organiska lysdioder (OLED). En fördel med organiska material är att de ofta kan lösas upp i lösningsmedel, vilket gör det möjligt att använda traditionella tryckmetoder för masstillverkning av elektroniska komponenter och kretsar på flexibla substrat till en mycket låg kostnad. Många av de tilltänkta produkterna kommer att använda sig av tryckta batterier eller solceller som spänningskällor. De ingående elektroniska komponenterna, t.ex. organiska transistorer, bör därför kunna drivas med låga spänningar och vara strömsnåla. Den här avhandlingen är fokuserad på organiska tunnfilmstransistorer (TFT) i vilka det isolerande skiktet mellan gate-elektroden och halvledaren utgörs av en jonledande elektrolyt. Elektrolytskiktet, mellan gate och halvledare, erbjuder extremt hög kapacitans vilket gör det möjligt att använda väldigt låga spänningar (~1 V) för att driva denna komponent. En risk med att använda elektrolyter i organiska transistorer är att joner från elektrolyten kan tränga in i den organiska halvledaren och göra transistorn svår att styra. Detta problem har jag lyckats undvika genom att använda polyelektrolyter, material där en av jonerna representeras av en polymer. Både p-kanalsoch n-kanalstransistorer kan tillverkas med polyelektrolyter som isolatormaterial. Det har gjort det möjligt att också tillverka tryckbara, snabba och strömsnåla logiska kretsar med hjälp av komplementär kretsdesign. Dessa transistorer är väl lämpade för att användas inom tryckt elektronik.

برای دانلود متن کامل این مقاله و بیش از 32 میلیون مقاله دیگر ابتدا ثبت نام کنید

ثبت نام

اگر عضو سایت هستید لطفا وارد حساب کاربری خود شوید

منابع مشابه

On the mode of operation in electrolyte-gated thin film transistors based on different substituted polythiophenes

Organic Thin Film Transistors (OTFT), gated through an aqueous electrolyte, have extensively been studied as sensors in various applications. These water-gated devices are known to work both as electrochemical (Organic ElectroChemical Transistor OECT) and field-effect (Organic Field-Effect Transistor OFET) devices. To properly model and predict the response of water-gated OTFT sensors it is imp...

متن کامل

Controlling the dimensionality of charge transport in organic thin-film transistors.

Electrolyte-gated organic thin-film transistors (OTFTs) can offer a feasible platform for future flexible, large-area and low-cost electronic applications. These transistors can be divided into two groups on the basis of their operation mechanism: (i) field-effect transistors that switch fast but carry much less current than (ii) the electrochemical transistors which, on the contrary, switch sl...

متن کامل

Organic Thin Film Transistors with Polyvinylpyrrolidone / Nickel Oxide Sol-Gel Derived Nanocomposite Insulator

Polyvinylpyrrolidone  /  Nickel  oxide  (PVP/NiO)  dielectrics  were fabricated  with  sol-gel  method  using  0.2  g  of  PVP  at  different working  temperatures  of  80,  150  and  200  ºC.  Structural  properties and surface morphology of the hybrid films were investigated by X- Ray  diffraction  (XRD)  and  Scanning  Electron Microscope  (SEM) respectively. Energy dispersive X-ray spec...

متن کامل

Stress-induced width-dependent degradation of low-temperature polycrystalline silicon thin-film transistor

Related Articles Charge transport in dual-gate organic field-effect transistors APL: Org. Electron. Photonics 5, 20 (2012) Top-gate thin-film transistors based on GaN channel layer Appl. Phys. Lett. 100, 022111 (2012) Charge transport in dual-gate organic field-effect transistors Appl. Phys. Lett. 100, 023308 (2012) Solid polyelectrolyte-gated surface conductive diamond field effect transistors...

متن کامل

Phospholipid film in electrolyte-gated organic field-effect transistors

A totally innovative electrolyte-gated field effect transistor, embedding a phospholipid film at the interface between the organic semiconductor and the gating solution, is described. The electronic properties of OFETs including a phospholipid film are studied in both pure water and in an electrolyte solution and compared to those of an OFET with the organic semiconductor directly in contact wi...

متن کامل

ذخیره در منابع من


  با ذخیره ی این منبع در منابع من، دسترسی به آن را برای استفاده های بعدی آسان تر کنید

برای دانلود متن کامل این مقاله و بیش از 32 میلیون مقاله دیگر ابتدا ثبت نام کنید

ثبت نام

اگر عضو سایت هستید لطفا وارد حساب کاربری خود شوید

عنوان ژورنال:

دوره   شماره 

صفحات  -

تاریخ انتشار 2011