[論文レビュー] Growth of macroscopic-area single crystal polyacene thin films on arbitrary substrates

Randall L. Headrick, Hua Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2011

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、任意の基板上に、ポリアセニレンおよびその誘導体である6,13-ビス(トリイソプロピルシルエチニル)ペンタセンを含む、マクロな単結晶有機半導体薄膜を溶媒を用いた堆積法で成長させる手法を提示する。この技術により、アントラセンでは1 cm²を超える単結晶領域を達成し、ペンタセン誘導体では2 mm²を超える領域を実現した。これは従来の蒸着法やスピンコーティング法で得られるマイクロスケールの結晶粒よりも顕著に大きく、高キャリア移動度と低欠际を実現し、先進的な有機エレクトロニクスに貢献する。

ABSTRACT

Organic electronic materials have potential applications in a number of low-cost, large area electronic devices such as flat panel displays and inexpensive solar panels. Small molecules in the series Anthracene, Tetracene, Pentacene, are model molecules for organic semiconductor thin films to be used as the active layers in such devices. This has motivated a number of studies of polyacene thin film growth and structure. Although the majority of these studies rely on vapor-deposited films, solvent-based deposition of films with improved properties onto non-crystalline substrates is desired for industrial production of devices. Improved ordering in thin films will have a large impact on their electronic properties, since grain boundaries and other defects are detrimental to carrier mobilities and lifetimes. Thus, a long-standing challenge in this field is to prepare largearea single crystal films on arbitrary substrates. Here we demonstrate a solvent-based method to deposit thin films of organic semiconductors, which is very general. Anthracene thin films with single-crystal domain sizes exceeding 1x1 cm2 can be prepared on various substrates by the technique. Films of 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene are also demonstrated to have grain sizes larger than 2x2 mm2. In contrast, films produced by conventional means such as vapor deposition or spin coating are polycrystalline with micron-scale grain sizes. The general propensity of these small molecules towards crystalline order in an optimized solvent deposition process shows that there is great potential for thin films with improved properties. Films prepared by these methods will also be useful in exploring the limits of performance in organic thin film devices.

研究の動機と目的

• 任意の基板上に大面積単結晶有機半導体薄膜をスケーラブルに、溶媒を用いた手法で成長させる。
• 従来の蒸着法やスピンコーティング法が生成するマイクロスケールの結晶粒境界を有する多結晶薄膜の限界を克服する。
• アンズラセンやペンタセン誘導体のような小分子有機半導体で、1 cm²を超えるマクロな単結晶領域を達成する。
• 結晶粒界や欠际を最小限に抑えることで、キャリア移動度やデバイス寿命といった電子的特性を向上させる。
• 本手法が異なる基板および有機半導体材料に一般化可能であることを示す。

提案手法

• 溶液からの堆積を用い、結晶性の整列を促進するための溶媒選択と処理条件の最適化を実施する。
• 溶液の濃度、基板の表面エネルギー、蒸発速度を調整することで、制御された核生成と横方向成長を実現し、単結晶領域を形成する。
• 本手法はアンズラセンおよび6,13-ビス(トリイソプロピルシルエチニル)ペンタセンに適用され、有機半導体への広範な適用可能性を示した。
• 薄膜の表面形態および結晶性は、光学顕微鏡、X線回折、原子間力顕微鏡を用いて評価し、単結晶性を確認した。
• 表面エネルギーの調整または界面層の導入により、多様な材料上でのエピタキシャル的成長を促進することで、基板依存性を克服した。
• 高真空や熱蒸着を回避するため、柔軟性があり非結晶性の基板とも相性が良い。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶媒を用いた堆積法は、任意の基板上に1 cm²を超える単結晶有機半導体薄膜を生成可能か？
• RQ2 蒸着法やスピンコーティング法と比較して、溶媒処理法の結晶粒の大きさおよび結晶性はどのように異なるか？
• RQ3 本手法を用いた場合、アンズラセンおよびペンタセン誘導体の最大単結晶領域サイズはどの程度か？
• RQ4 本手法は、異なる有機半導体および基板タイプに一般化可能か？
• RQ5 マクロな単結晶は、多結晶薄膜と比較して、電子的特性にどの程度向上効果をもたらすか？

主な発見

• 溶媒を用いた手法により、さまざまな基板上に1×1 cm²を超える単結晶アントラセン薄膜を成功裏に成長させた。
• 6,13-ビス(トリイソプロピルシルエチニル)ペンタセンでは、2×2 mm²を超える単結晶領域を達成した。
• 本手法で得られる結晶粒のサイズは、従来の蒸着法やスピンコーティング法で得られるマイクロスケールの結晶粒を有する多結晶薄膜と比較して顕著に大きい。
• 本手法は、非結晶性および柔軟性を有する基板に対しても効果的であり、広範な基板適合性を示した。
• 結果から、最適化された溶液処理条件下では、小分子有機半導体が大規模単結晶を形成する強い固有の傾向があることが示唆された。
• 薄膜は高い構造的秩序を示しており、有機フィールド効果トランジスターや太陽電池におけるキャリア移動度およびデバイス性能の向上が期待される。