Tryckta transistorer på papper och plast

Transkript

1 Tryckta transistorer på papper och plast Daniel Tobjörk, N. Kaihovirta, T. Mäkelä, R. Österbacka, R. Bollström, A. Määttänen, P. Ihalainen, J. Peltonen, M. Toivakka, Åbo Akademi, Laboratoriet för pappersförädling 1 (17)

2 Transistorn Nobelpriset i Fysik år 1956 John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley Grundläggande för all elektronik Strömmen mellan två elektroder styrs med spänningen på en tredje elektrod Olika typer, MOSFET vanligast idag Material: ledare, halvledare och isolator Oorganiska material (framförallt kisel) + Miniatyrisering, prestanda (snabbhet etc.) Hög tillverkningskostnad/area, ej böjbara etc. 2 (17)

3 Organiska material Ledande polymerer Nobelpriset i Kemi år 2000 Alan Heeger, Alan MacDiarmid och Hideki Shirakawa Dopade konjugerade polymerer T.ex. polyacetylene, polyaniline och polyethylenedioxytiophene (PEDOT) μ=v/f J=σF=epμF 3 (17)

4 Organiska transistorer Tryckbara (från lösningar) Snabbt, på stora ytor till låg kostnad Böjbara och lätta Exempel på tillämpningar: Bildskärmar t.ex. elektroniskt papper Sensorer Smarta etiketter Plastic logic s e-readers LG: OLED-TV [Phys. Stat. Sol. A 206 (2009) 588.] Readius Polymer vision PaperDisplay (Acreo) 4 (17)

5 Organiska fälteffekttransistorer Liknande funktion och prestanda som tunnfilmstransistorer (TFT) med amorft kisel (används idag för LCD-skärmar) Tunn organisk halvledarfilm appliceras på substratet p-typ vanligast, μ ~ cm 2 /Vs Transistorkarakteristik: Utgångskarakteristik och överföringsfunktion I d ½ [A ½ ] Saturated regime d I ½ d d V g I d [ A] -0.4 di -0.3 d -0.2 dv g V g [V] 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E E-12 V t ~ 22 V 1E S ~ 1 V/dec V g [V] Linear regime V 0 ~ 0 V I d Linjärt område: W L C i lin 2 V V d g Vt Vd Mättnadsområde: W Id Ci sat ( Vg V 2L t 2 ) 2 5 (17)

6 Organiska fälteffekttransistorer Problem: höga spänningar krävs (10-100V) Inte lämpligt för bärbara tillämpningar (batteri etc.) Möjliga lösningar: C 0 r A d Isolator med hög permittivitet (ε) (men lägre μ) Tunn isolator (d) (men tryckbarhetsproblem) Alternativt: Elektrokemiska transistorer (långsamma, normalt-på) Jonmodulerade transistorer (elektrolytdielektrika), hög kapacitans p.g.a. elektriskt dubbellager vid gränsskikten till dielektrikum 6 (17)

7 Jonmodulerad lågspänningstransistor Hygroscopic Insulator Field Effect Transistor (HIFET) H.G.O. Sandberg, T.G.Bäcklund, R.Österbacka, H.Stubb, Adv. Mater. 16 (2004) HIFET vs. traditionella OFETs: + Opererar vid låga spänningar (~1V) vid normal luftfuktighet + Tjock isolator (1-2 μm) + Okänslig för isolatorns tjocklek + Okänslig för ojämnheter N.J. Kaihovirta, D. Tobjörk, T. Mäkelä, and R. Österbacka, Appl. Phys. Lett. 93 (2008) Högre strömmar ( 10) + Kan tillverkas helt från lösningar i luft - Långsam och låg on/off ( ) I d [ A] OFET V d [V] V g = -25 V -20 V -15 V V -5 V V OH HIFET V g = -0.8 V V V V 0 V V V d [V] 7 (17)

8 Tryckmetoder Konventionella tryckmetoder Stenciltryck (screen) Högtryck (flexo) Djuptryck (gravyr) Plantryck (offset) Digitala tryckmetoder Xerografi (t.ex. laserskrivare) Bläckstråleskrivare (ink-jet) Kontinuerlig eller drop on demand Termisk eller piezoelektrisk 8 (17)

9 Tryckning av transistorer Tryckmetoder: Kompatibla med en kontinuerlig rulle-till-rulle process Gravyrbestrykare: Mini-Labo Labo test coater Bläckstråleskrivare: Dimatix Materials Printer (DMP-2800) Ag PEDOT:PSS PVP P3HT Polyester (Mylar A) Gate-elektrod Dielektrikum (1-2 µm) Halvledare (~30 nm) S/D-elektroder (L~40 μm, W=1.5mm) Helt tryckta organiska lågspänningstransistorer! D. Tobjörk, N.J. Kaihovirta, T. Mäkelä, and R. Österbacka, Org. Electron. 9 (2008) (17)

10 Transistorkarakteristik I d [ A] Utgångskarakteristik Överföringsfunktion V g = -0.8 V V -0.2 V V V d [V] -0.6 V abs(i d ) [A] V d = -1.0 V V g [V] Mätta i luft (luftfuktighet ~25 %) Opererar vid låga spänningar (~1 V) Liknande resultat som med laboratoriemetoder (evaporering, spin coating etc.) 10 (17)

11 Varför r papperssubstrat? Används mycket i vardagen Billigt Miljövänligt Förnyelsebar källa och återvinningsbart Mer värmebeständigt än de flesta plastsubstrat Utmaningar: - Stor ytråhet (ojämnheter) - Absorption (dåliga barriäregenskaper) - Orenheter i papperssubstratet 11 (17)

12 Papperstransistorer i litteraturen Elektrokemiska organiska lågspänningstransistorer (normalt på), t.ex. R. Mannerbro et al. Synth. Met. 158 (2008) 556. Tryckt på fotopapper. Organiska högspänningsfälteffekttransistorer, t.ex. F. Eeder et al. Appl. Phys. Lett. 84 (2004) På bomullsfiberpapper med ett tvärbundet polymerbarriärlager. Oorganiska fälteffekttransistorer, t.ex. M. Härting et al. Appl. Phys. Lett. 94 (2009) Tryckt med kiselnanopartikelpolymerblandning på papper. 12 (17)

13 Organisk lågspl gspänningstransistor påp ett återvinningsbart papperssubstrat Multibestrykt cellulosafiberbaserat paperssubstrat Mineralbaserat pigmentskikt (GCC och kaolin) ~100 g/m² Barriärskikt (latex) g/m² Toppskikt (kaolin) g/m² Kalandrering för ytjämnhet ~55-75 nm Fungerande transistor! R. Bollström, A. Määttänen, D. Tobjörk, P. Ihalainen, N. Kaihovirta, R. Österbacka, J. Peltonen, M. Toivakka, Org. Electron. 10 (2009) (17)

14 Papper vs. plastsubstrat Drain current ( A) Currents ( A) V 0 0 V Drain voltage (V) 10 V D = -1.5 V Papper W = 10x2mm PQT: 2x25 m DS V G = -1.2 V -0.8 V I D I S I G 1E Gate voltage (V) Drain current ( A) Absolute currents ( A) V 0.4 V V Drain voltage (V) Polyester Spin coated PQT V G = -1.2 V on Mylar A (W = 20x2mm) -0.8 V V D = -1.5 V -0.4 V Gate voltage (V) I D I S I G Problem med papper: Lägre strömmar Halvledarteckning Stor hysteres Gate läckage Fördel med papper: Tröskelspänning vid 0V 14 (17)

15 V out (V) Enklaste logiska komponenten i elektriska kretsar Inverterare med saturerad last-transistor på papper och plastsubstrat: Logisk inverterare Spänningsförstärkning (G >1) V dd = -2V V in (V) Papper: Av vid 0V, men stor hysteres! V out (V) V dd = -1.5V G dv dv out V in (V) in Gain V out (V) V dd = -1.5V V in (V) (W active /W load = 5) V in = -2 & +1V, V dd = -2V Time (min) 15 (17)

16 Sammanfattning Tryckta lågspänningstransistorer Papper vs. plastsubstrat Lägre strömmar och större hysteres + Tröskelspänning vid 0V Logisk grind 16 (17)

17 Department of Physics, Åbo Akademi University Porthansgatan 3, Turku, Finland 17 (17)