[논문 리뷰] Growth of macroscopic-area single crystal polyacene thin films on arbitrary substrates

Randall L. Headrick, Hua Zhou외 8명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 17.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다양한 기판에 고체상 유기 반도체 박막, 특히 펜타센 및 그 衍생체인 6,13-비스(tri이소프로필실릴에틸린일)펜타센을 성장시키기 위한 용매 기반 침착 방법을 제시한다. 이 기법은 안트라센에 대해 1 cm² 이상, 펜타센 衍생체에 대해 >2 mm² 이상의 단일결정 영역을 달성하여 기존 증착 또는 스피inning 코팅 방식이 생성하는 마이크론 크기의 결정립보다 훨씬 큰 크기를 확보한다. 이는 고성능 유기 전자소자의 고재현성 이동도 및 낮은 결함을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기판에 대해 대량 생산이 가능한 용매 기반 기법을 개발하여 매크로스코픽 단일결정 유기 반도체 박막을 성장시키는 것.
• 기존 증착 또는 스피닝 코팅 방식이 마이크론 크기의 결정립을 가진 다결정성 박막을 생성하는 데서 비롯하는 한계를 극복하는 것.
• 안트라센 및 펜타센 衍생체와 같은 소분자 유기 반도체에서 >1 cm²의 매크로스코픽 단일결정 영역을 달성하는 것.
• 결정립 경계 및 결함을 최소화하여 이동도 및 장치 수명과 같은 전자적 성질을 향상시키는 것.
• 이 기법이 다양한 기판 및 유기 반도체 재료에 일반화될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 용매 기반 침착 기법을 사용하여 용액으로부터 박막을 성장시키며, 결정성 배열을 촉진하기 위해 용매 선택 및 공정 조건을 최적화한다.
• 용액 농도, 기판 표면 에너지, 증발 동역학을 조절하여 단일결정 영역의 제어된 핵 생성 및 수평 성장을 가능하게 한다.
• 이 과정는 안트라센과 6,13-비스(tri이소프로필실릴에틸린일)펜타센에 적용되어 다양한 유기 반도체에 대한 광범위한 적용 가능성을 입증한다.
• 박막의 표면 형태 및 결정성을 광학 현미경, X선 회절, 원자력 현미경을 사용하여 분석하여 단일결정 성질을 확인한다.
• 기판 표면 에너지 조절 또는 인터페이스층을 사용하여 다양한 재료에 대해 에피택셜 유사 성장을 촉진함으로써 기판 독립성을 달성한다.
• 고진공 또는 열증착을 피함으로써 도중에나 비결정성 기판과 같은 도중 기판과의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용매 기반 침착가 1 cm² 이상의 단일결정 유기 반도체 박막을 다양한 기판에 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 용매 기반 공정이 증착 또는 스피닝 코팅에 비해 결정립 크기 및 결정성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 이 기법을 사용하여 안트라센 및 펜타센 衍생체에서 얻을 수 있는 최대 단일결정 영역 크기는 얼마인가?
• RQ4 이 기법은 다양한 유기 반도체 및 기판 유형으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 매크로스코픽 단일결정이 다결정성 박막에 비해 전자 성능을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 용매 기반 기법을 통해 다양한 기판에 1×1 cm² 이상의 단일결정 안트라센 박막을 성공적으로 성장시켰다.
• 6,13-비스(tri이소프로필실릴에틸린일)펜타센에 대해서는 2×2 mm² 이상의 단일결정 영역을 달성하였다.
• 이 기법에서 얻은 결정립 크기는 기존 증착 또는 스피닝 코팅 방식이 생성하는 마이크론 크기의 결정립을 가진 다결정성 박막보다 뚜렷이 크다.
• 이 기법은 비결정성 및 유연성 기판을 포함한 다양한 기판에서 효과적으로 작동하여 광범위한 기판 호환성을 입증하였다.
• 최적의 용액 공정 조건 하에서 소분자 유기 반도체가 매크로스코픽 단일결정을 형성하는 데 강한 내재적 경향이 있음을 시사한다.
• 박막은 높은 구조적 질서를 보이며, 이는 유기 필드효과 트랜지스터 및 태양전지 등에서 향상된 이동도 및 장치 성능 잠재력을 시사한다.