グラフォエピタキシーによる有機薄膜の面内配向制御と電界効果トランジスタへの応用

通过图形外延控制有机薄膜的面内取向及其在场效应晶体管中的应用

基本信息

批准号：
18860020
负责人：
池田進
金额：
$ 1.78万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、前年度に見出したグラフォエピタキシーによる有機半導体薄膜の面内配向制御技術を実際の電界効果トランジスタ(FET)に応用する試みを行った。有機半導体材料にはα-sexithiophene(6T)を用い、電子線リソグラフィーによって人工周期溝構造を形成した熱酸化シリコン基板表面に6Tを真空蒸着法によって成膜した。蒸着前に基板表面をUV/オゾン処理(親水化)ならびにHMDS処理(疎水化)して表面状態を変えることにより、6Tの結晶格子のb軸が人工溝に対して平行になる場合と垂直になる場合を作り分ける、すなわち面内配向を制御し、それによって面内の選択配向方位が90°異なる2種類のFETデバイスを作製した。グラフォエピタキシーによって面内配向制御した6TのFETデバイスはどちらも高ドレイン電圧において飽和領域が現れる一般的な出力特性を示し、このようにして作製した有機FETが正常に動作することを実証した。しかしながら、平坦基板を用いた6TのFET(薄膜の面内方位はランダム)のFET特性と比較すると移動度が小さく、これはグラフォエピタキシャル成長した薄膜ではグレインが存在しない未被覆の部分が多く、電気伝導経路の連結性が悪いためであることが判明した。これに対し、グラフォエピタキシーによって方位が揃って連結した6Tグレインの1次元鎖中の電気伝導特性を導電性カンチレバーを用いた接触型原子間力顕微鏡で測定したところ、鎖状連結構造中では伝導特性が良好であった。これは方位の揃ったグレイン間の粒界抵抗が小さいことを意味する。したがって、グラフォエピタキシャル成長した薄膜の基板被覆率を高め、それぞれ孤立してしまう傾向にあるグレイン連結構造同士を更に連結できれば、FET特性を改善できることが示唆された。

今年，我们尝试将去年发现的利用石墨外延的有机半导体薄膜面内取向控制技术应用于实际的场效应晶体管（FET）。使用α-六噻吩(6T)作为有机半导体材料，通过真空蒸发将6T沉积在热氧化硅基板的表面上，在该基板上通过电子束光刻形成人工周期沟槽结构。通过在蒸镀前对基板表面进行UV/臭氧处理（亲水化）和HMDS处理（疏水化）来改变表面状态，可以使6T晶格的b轴与人工沟槽平行或垂直。换句话说，通过控制面内取向，我们创建了两种类型的 FET 器件，其中面内选择性取向相差 90°。两种面内取向由图形外延控制的 6T FET 器件都表现出典型的输出特性，在高漏极电压下出现饱和区，表明以这种方式制造的有机 FET 可以正常工作。然而，与使用平坦基板的6T FET的FET特性相比，迁移率较低（薄膜的面内取向是随机的），这归因于传导路径的连通性差。相比之下，当我们使用导电悬臂梁的接触原子力显微镜通过图形外延法测量以相同方向连接的一维6T晶粒链的电导率时，我们发现链状连接结构的电导率是特性良好。这意味着具有均匀取向的晶粒之间的晶界阻力较小。因此，建议如果增加图形外延生长薄膜的衬底覆盖率并且可以进一步连接倾向于分离的晶粒连接结构，则可以改善FET特性。