유기반도체의 박막구조와 유기박막트랜지스터 기반 가스센서의 특성간의 상관관계 연구 Effects of film microstructure of organic semiconductor on the gas sensing properties of organic field-effect transistors원문보기
유기반도체를 이용한 가스센서는 상온에서도 작동 가능하며 가볍고 유연하다는 장점이 있다. 유기박막트랜지스(Organic Field-Effect Transistors, OFETs) 기반 가스센서의 경우 가스가 유기반도체/절연체 계면에 도달하여 전기적 특성을 변화시킨다. 유기반도체의 결함은 전하의 트랩을 발생시켜 전하이동도를 저하시키지만, OFETs 가스센서에서는 가스가 유기반도체의 채널 영역으로 확산되는 통로 역할을 한다. 이에 따라 다공성의 구조의 유기반도체를 이용하여 가스센서 특성을 향상시킨 연구들이 진행되어왔다. 그러나 유기반도체 ...
유기반도체를 이용한 가스센서는 상온에서도 작동 가능하며 가볍고 유연하다는 장점이 있다. 유기박막트랜지스(Organic Field-Effect Transistors, OFETs) 기반 가스센서의 경우 가스가 유기반도체/절연체 계면에 도달하여 전기적 특성을 변화시킨다. 유기반도체의 결함은 전하의 트랩을 발생시켜 전하이동도를 저하시키지만, OFETs 가스센서에서는 가스가 유기반도체의 채널 영역으로 확산되는 통로 역할을 한다. 이에 따라 다공성의 구조의 유기반도체를 이용하여 가스센서 특성을 향상시킨 연구들이 진행되어왔다. 그러나 유기반도체 박막의 결정립계 밀도 조절과 패터닝을 통해 OFETs의 가스센서 특성을 향상시킨 연구는 충분히 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT)의 결정립계 밀도와 패터닝에 따른 OFETs의 가스센서 특성을 알아보고자 하였다. TES-ADT 박막의 밀도는 TES-ADT/toluene 용액의 교반시간에 따라 조절되었으며 교반시간이 길수록 결정립계 밀도가 증가하였다. TES-ADT FETs의 전기적 특성은 결정립계 밀도가 증가함에 따라 감소하지만 NO2에 대한 반응속도와 민감성은 결정립계 밀도가 증가할수록 크게 증가하는 것을 확인하였다. 또한 TES-ADT 박막의 패터닝은 line 패턴된 PDMS몰드를 이용하여 제작하였다. 패턴된 TES-ADT 박막은 1,2-dichloroethane (DCE)를 흡수시킨 PDMS 몰드를 스핀코팅한 amorphous TES-ADT 박막 위에 접촉시켜 제작하였다. Line 패턴의 TES-ADT FETs는 TES-ADT 분자가 line 패턴을 따라 배향되면서 전면적으로 결정화된 TES-ADT FETs보다 더 높은 전하이동도를 보여주었다. 또한 가스센서 특성에서도 전면적으로 결정화된 샘플과 비교하였을 때 line 패턴된 샘플의 NO2에 대한 반응속도와 민감성이 향상되었고, line 패턴의 채널 폭이 21.51 μm인 샘플이 63.33 μm인 샘플보다 반응특성이 2배 이상으로 증가한 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 OFETs 기반 가스센서에서 결정립계가 가스 분자가 채널 영역까지 확산될 수 있게 도와주는 통로 역할을 하며, TES-ADT 박막의 패터닝이 전기적 특성과 가스센서 특성을 향상시킨다는 것을 검증하였다.
유기반도체를 이용한 가스센서는 상온에서도 작동 가능하며 가볍고 유연하다는 장점이 있다. 유기박막트랜지스(Organic Field-Effect Transistors, OFETs) 기반 가스센서의 경우 가스가 유기반도체/절연체 계면에 도달하여 전기적 특성을 변화시킨다. 유기반도체의 결함은 전하의 트랩을 발생시켜 전하이동도를 저하시키지만, OFETs 가스센서에서는 가스가 유기반도체의 채널 영역으로 확산되는 통로 역할을 한다. 이에 따라 다공성의 구조의 유기반도체를 이용하여 가스센서 특성을 향상시킨 연구들이 진행되어왔다. 그러나 유기반도체 박막의 결정립계 밀도 조절과 패터닝을 통해 OFETs의 가스센서 특성을 향상시킨 연구는 충분히 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT)의 결정립계 밀도와 패터닝에 따른 OFETs의 가스센서 특성을 알아보고자 하였다. TES-ADT 박막의 밀도는 TES-ADT/toluene 용액의 교반시간에 따라 조절되었으며 교반시간이 길수록 결정립계 밀도가 증가하였다. TES-ADT FETs의 전기적 특성은 결정립계 밀도가 증가함에 따라 감소하지만 NO2에 대한 반응속도와 민감성은 결정립계 밀도가 증가할수록 크게 증가하는 것을 확인하였다. 또한 TES-ADT 박막의 패터닝은 line 패턴된 PDMS 몰드를 이용하여 제작하였다. 패턴된 TES-ADT 박막은 1,2-dichloroethane (DCE)를 흡수시킨 PDMS 몰드를 스핀코팅한 amorphous TES-ADT 박막 위에 접촉시켜 제작하였다. Line 패턴의 TES-ADT FETs는 TES-ADT 분자가 line 패턴을 따라 배향되면서 전면적으로 결정화된 TES-ADT FETs보다 더 높은 전하이동도를 보여주었다. 또한 가스센서 특성에서도 전면적으로 결정화된 샘플과 비교하였을 때 line 패턴된 샘플의 NO2에 대한 반응속도와 민감성이 향상되었고, line 패턴의 채널 폭이 21.51 μm인 샘플이 63.33 μm인 샘플보다 반응특성이 2배 이상으로 증가한 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 OFETs 기반 가스센서에서 결정립계가 가스 분자가 채널 영역까지 확산될 수 있게 도와주는 통로 역할을 하며, TES-ADT 박막의 패터닝이 전기적 특성과 가스센서 특성을 향상시킨다는 것을 검증하였다.
Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT) has received considerable attention as organic semiconductor of organic field-effect transistors(OFETs) because of its easy processability, chemical stability and remarkable electrical properties. Defects such as grain boundary(GB) are one of the key ...
Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT) has received considerable attention as organic semiconductor of organic field-effect transistors(OFETs) because of its easy processability, chemical stability and remarkable electrical properties. Defects such as grain boundary(GB) are one of the key factors to influence on electrical characteristics of the OFET devices. Field-effect mobilities of TES-ADT FETs with high GB density were typically inferior to FETs with low GB density because grain boundary plays a role as charge trapping site. However, gas sensing properties showed the opposite behaviors. In this study, we systemically examined the effects of defects and microstructure within TES-ADT thin films on the electrical and gas sensing properties of OFETs. The GB density was simply controlled by varying mixing time of the TES-ADT/toluene solution. When the mixing time was increased, the GB density of TES-ADT thin films were increased. As-spun TES-ADT films were then totally crystallized by exposure to 1,2-dichloroethane vapor. Electrical properties of TES-ADT FETs with high GB density were inferior to devices of low GB density. However, drain current and field-effect mobility of devices with higher GB density were dramatically increased when TES-ADT FETs were exposed NO₂. In addition, response rate and sensitivity of TES-ADT gas sensors were enhanced remarkably by an increase of grain boundary density in TES-ADT active channel. Grain boundaries provide a diffusion pathway for NO2 molecules reaching from organic semiconductor surface to semiconductor-dielectric interface. Additionally, TES-ADT films were simultaneously line-patterned and crystallized by using pre-patterned PDMS molds containing 1,2-dichloroethane. This method enables a variety of TES-ADT line patterns with different widths while simultaneously changing as-spun TES-ADT thin films into crystal patterns. Compared with totally crystallized TES-ADT films, line-patterned TES-ADT FETs showed enhanced electrical and gas sensing properties. Especially, TES-ADT FETs with pattern width of 21.51 "μ" m exhibited improved sensitivity compared to devices with pattern with of 63.33 "μ" m. This is due to the high density of edges in TES-ADT crystals, which provide an efficient diffusion pathway for gas molecules. Our study provides new insight for the role of defects and microstructure in crystals (i.e., grain boundary, crystal edge) and will be useful for developing highly sensitive gas sensors based on organic semiconductors.
Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT) has received considerable attention as organic semiconductor of organic field-effect transistors(OFETs) because of its easy processability, chemical stability and remarkable electrical properties. Defects such as grain boundary(GB) are one of the key factors to influence on electrical characteristics of the OFET devices. Field-effect mobilities of TES-ADT FETs with high GB density were typically inferior to FETs with low GB density because grain boundary plays a role as charge trapping site. However, gas sensing properties showed the opposite behaviors. In this study, we systemically examined the effects of defects and microstructure within TES-ADT thin films on the electrical and gas sensing properties of OFETs. The GB density was simply controlled by varying mixing time of the TES-ADT/toluene solution. When the mixing time was increased, the GB density of TES-ADT thin films were increased. As-spun TES-ADT films were then totally crystallized by exposure to 1,2-dichloroethane vapor. Electrical properties of TES-ADT FETs with high GB density were inferior to devices of low GB density. However, drain current and field-effect mobility of devices with higher GB density were dramatically increased when TES-ADT FETs were exposed NO₂. In addition, response rate and sensitivity of TES-ADT gas sensors were enhanced remarkably by an increase of grain boundary density in TES-ADT active channel. Grain boundaries provide a diffusion pathway for NO2 molecules reaching from organic semiconductor surface to semiconductor-dielectric interface. Additionally, TES-ADT films were simultaneously line-patterned and crystallized by using pre-patterned PDMS molds containing 1,2-dichloroethane. This method enables a variety of TES-ADT line patterns with different widths while simultaneously changing as-spun TES-ADT thin films into crystal patterns. Compared with totally crystallized TES-ADT films, line-patterned TES-ADT FETs showed enhanced electrical and gas sensing properties. Especially, TES-ADT FETs with pattern width of 21.51 "μ" m exhibited improved sensitivity compared to devices with pattern with of 63.33 "μ" m. This is due to the high density of edges in TES-ADT crystals, which provide an efficient diffusion pathway for gas molecules. Our study provides new insight for the role of defects and microstructure in crystals (i.e., grain boundary, crystal edge) and will be useful for developing highly sensitive gas sensors based on organic semiconductors.
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