Carbon Nanotube Array Electrodes for Organic Thin Film Transistors

Depuis environ une vingtaine d'années, les transistors organiques à base de couches minces (acronyme en anglais, OTFT) se sont développés de façon impressionnante, passant de l'échelle de recherche au laboratoire à l'échelle de commercialisation. Les caractéristiques les plus intéressantes des OTFT sont leur compatibilité avec des substrats flexibles et leur méthode de fabrication, basée sur des techniques en solution. Les performances des OTFT sont influencées très fortement par les caractéristiques de l'interface semiconducteur organique/électrode métallique. L'interface semiconducteur organique/électrode métallique influence le processus d'injection de charge. En général, l'efficacité d'injection de charge dans les OTFT est limitée, parce que les niveaux électroniques du semiconducteur organique ne sont pas alignés avec le niveau de Fermi du métal de l'électrode. Dans ce mémoire de maîtrise, nous avons focalisé l'attention sur le processus d'injection de charge dans les OTFT utilisant comme matériau d'électrode des rangées de nanotubes de carbone monoparois (acronyme en anglais, SWCNT). Nous avons comparé les performances des OTFT basés sur des électrodes de type rangée de SWCNT avec les performances des OTFT utilisant des matériaux d'électrode plus conventionnels, tel que l'Au. Les OTFTs ont été fabriqués sur une couche de SiO2, obtenue par oxydation thermique d'une tranche de Si (100) fortement dopée (type n). La formation des rangées de SWCNT a été effectuée par la méthode de filtration sous vide des réseaux de SWCNT au-dessus de la surface de SiO2. La géométrie concentrique d'électrode a été réalisée par photolithographie et par développement. Nous avons observé des résultats très encourageants dans les cas de trois semiconducteurs organiques différents, tels que le poly-3 (hexyl) thiophène (P3HT), le dérivé du fullerène PCBM, et la ftalocyanine de tytanil (TiOPc).

Abstract

Over the past two decades, organic thin film transistors (OTFTs) have developed from the research laboratory scale to the scale of commercially feasible technology. The most attractive features of OTFTs are their low-cost manufacturing procedures and their compatibility with flexible substrates. The characteristics of the organic semiconductor/metal electrode interface dramatically affect the performance of OTFTs. For instance, charge carrier injection efficiency can be limited by the offset between the HOMO and LUMO energy levels of the organic semiconductor and the Fermi level of the metal electrode, since this offset leads to the formation of an energy barrier for charge carrier injection. This MSc work focuses on the use of single walled carbon nanotube (SWCNT) array electrodes, to improve the injection efficiency in OTFTs. A comparative approach has been adopted, based on the systematic comparison between SWCNT array electrode-based OTFTs with their, well investigated, Au electrode-based counterparts. An improvement in the injection characteristics of OTFTs making use of SWCNT array electrodes has been previously demonstrated in OTFTs based on organic semiconductors such as (p-type) pentacene and copper phthalocyanine and (n-type) phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). In these previous studies, it has been hypothesized that the improvement of the charge carrier injection characteristics is mainly due to the one dimensional (1D) structure of SWCNTs, which favors tunneling injection across the injection barrier. To assess the general validity of this hypothesis, a large number of experiments need to be carried out with different organic semiconductors, belonging to different classes of materials (e.g., polymers and small molecules) and differently processed (e.g. solution processed and vacuum processed). In this project, the performance of OTFTs making use of SWCNT array electrodes has been investigated for thin films of Titanyl-phthalocyanine (TiOPc), Poly-3 (hexylthiophene) (P3HT), and P3HT/PCBM blends. TiOPc belongs to metal phthalocyanines (MPcs), which, due to their low solubility in organic solvents, are typically deposited by vacuum-based techniques. P3HT is