Design, synthesis, and characterization of n-type and ambipolar small molecules as air-stable and solution-processable semiconductors in ofets
Ofet'ler için havada kararlı ve çözücüde işlenebilen n-tipi ve ambipolar küçük moleküllerin dizaynı, sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 450496
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN USTA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Abdullah Gül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Yeni ambipolar ve n-tipi yarı iletkenlerin dizaynı ve geliştirilmesi organik alan etkili transistörler (OFETs) ve bütünleyici entegre devreler (CMOS) gibi farklı ileri optoelektronik teknolojiler için son derece önemlidir. Bugüne kadar literatürde çok sayıda ambipolar ve n-tipi polimerik yarı iletken ile karşılaşılmasına rağmen, havada kararlılık ve çözücüden proses edilebilme özelliklerine sahip yüksek cihaz performansı gösterebilen küçük moleküllere rastlanmamıştır. Bu tezin ilk bölümünde, ambipolarlık için yeterli moleküler enerji seviyelerine sahip, çok düşük band aralıklı (1.21-1.65 eV) iki yeni küçük molekül (2OD-TTIFDK ve 2OD-TTIFDM) tasarlanmış, sentezlenmiş ve yapıları aydınlatılmıştır. 2OD-TTIFDM molekülü kullanılarak çözücüden kesme (solution-shearing) yöntemi ile üretilen alt kapı üst temas organik alan etkili transistör, 0.13 cm2/V·s elektron, 0.01 cm2/V·s boşluk (hole) hareketliliği ve ~103-104 Ion/Ioff oranı ile havada son derece kararlı ambipolar cihaz performansı ortaya koymuştur. Diğer taraftan 2OD-TTIFDK molekülü tabanlı OFET ise, vakum altında 0.02 cm2/V·s elektron ve 0.01 cm2/V·s boşluk hareketliliği ile son derece dengeli (μe/μh ~ 2) ambipolarite ve ~105-106 Ion/Ioff oranı sergilemiştir. Ayrıca söz konusu yarı iletkenler kullanılarak 80V a kadar yüksek gerilim kazancı gösteren bütünleyici dönüştürücülere benzer devreler (CMOS-like inverter circuit) üretilmiştir. Elde edilen sonuçlarla, ambipolar yarı iletkenlerin havada kararlılığının hacimsel π-omurga yapısından çok moleküler orbital enerji seviyelerine bağlı olduğu ortaya çıkarılmıştır. Bu malzemeler, yük taşıma, dönüştürücü özellikleri ve proses açısından bakıldığında literatürde yer alan en iyi performansa sahip ambipolar yarı iletkenler arasında kendine yer bulmaktadır. Bu sonuçlar, çözücüde proses edilebilen ve havada kararlılık gösteren çok düşük band aralıklı ambipolar küçük moleküllerin farklı optoelektronik uygulamalar için tasarlanması konusunda büyük önem arz etmektedir. Bu tezin ikinci bölümünde ise, çözücüde proses edilebilen havada kararlı sıvı kristal yeni n-tipi organik yarı iletken (α,ω-2OD-TIFDMT) tasarlanmış, sentezlenmiş ve yapısı aydınlatılmıştır. Yeni yarı iletkenin düşük LUMO enerji seviyesine (-4.19 eV) ve dar optik band aralığına (1.35 eV) sahiptir. 139 °C ile 232 °C (izotropik erime noktası) arasındaki geniş sıcaklık bölgesinde tipik yelpaze şeklinde yapıya sahip hegzagonal sıvı kristal faz gözlemlenmiştir. Yarı iletken ince-film, döndürme kaplama yöntemi ile elde edilmiştir. Bu filmlerde, birbirleriyle yüksek derecede bağlantılı, büyük boyutlu (~0.5-1 µm) plaka formunda kristaller gözlemlenmiştir. Dielektrik yüzeyde molekülün kenarı üzerinde (edge-on) yönelme göstermesinin, dielektrik yarı iletken ara yüzü boyunca yük taşınımına olumlu yansıdığı tespit edilmiştir. Söz konusu yarı-iletkenden döndürme kaplama yöntemi ve düşük sıcaklıklarda tavlama (Tannealing = 50 °C) ile alt kapı üst temas organik alan etkili transistör üretilmiştir. Havada son derece kararlı olan bu cihaz ile maksimum 0.11 cm2/V·s elektron hareketliliği, 107-108 Ion/Ioff oranı elde edilmiştir. Bu durum, yüksek sıcaklık da tavlanan β-DD-TIFDMT yarı iletkeni ile kıyaslandığında OFET yük hareketliliğinin 100 kat arttığını göstermektedir. Yeni yarı iletkendeki alkil zincirlerinin pozisyonu ve dallanmış olması, D-A-D π-merkezin düzlemselliğine müthiş katkı yaparken organik çözücülerdeki çözünürlüğü korumuştur. Bu sayede daha iyi OFET performansı sergilenmesi için uygun optoelektronik ve fizikokimyasal özellikler yapıya kazandırılmıştır. Sıvı kristal fazda yapılan tavlama sonrası, elektron hareketliliğinin 10000 kat azaldığı tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, yeni n-tipi küçük yarı iletken molekülün, esnek plastik altlıklar ile OFET uygulamalarında kullanımının umut vadettiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The design and development of novel ambipolar and n-channel semiconductors is very crucial to advance various optoelectronic technologies including organic field-effect transistors (OFETs) and complementary (CMOS) integrated circuits. Although numerous ambipolar and n-channel polymers have been realized to date, small molecules have been unable to provide high device performance in combination with ambient-stability and solution-processibility. In the first part of this thesis, two novel small molecules, 2OD-TTIFDK and 2OD-TTIFDM, were designed, synthesized and characterized in order to achieve ultralow band-gap (1.21-1.65 eV) semiconductors with sufficiently balanced molecular energetics for ambipolarity. Bottom-gate/top-contact OFETs fabricated via solution-shearing of 2OD-TTIFDM yield perfectly ambient stable ambipolar devices with reasonably balanced electron and hole mobilities of 0.13 cm2/V·s and 0.01 cm2/V·s, respectively with Ion/Ioff ratios of ~103-104, and 2OD-TTIFDK-based OFETs exhibit ambipolarity under vacuum with highly balanced (μe/μh ~ 2) electron and hole mobilities of 0.02 cm2/V·s and 0.01 cm2/V·s, respectively with Ion/Ioff ratios of ~105-106. Furthermore, complementary-like inverter circuits were demonstrated with the current ambipolar semiconductors resulting in high voltage gains of up to 80. Our findings clearly indicate that ambient-stability of ambipolar semiconductors is a function of molecular orbital energetics without being directly related to bulk π-backbone structure. To the best of our knowledge, considering the processing, charge-transport and inverter characteristics, the current semiconductors stand out among the best performing ambipolar small molecules in the OFET and CMOS-like circuit literature. Our results provide an efficient approach in designing ultralow band-gap ambipolar small molecules with good solution-processibility and ambient-stability for various optoelectronic technologies including CMOS-like integrated circuits. In the second part of this thesis, a new solution-processable and air-stable liquid-crystalline n-channel organic semiconductor (α,ω-2OD-TIFDMT) was designed, synthesized, and characterized. The new semiconductor exhibits a low LUMO energy level (-4.19 eV) and a narrow optical band gap (1.35 eV). Typical pseudo focal-conic fan-shaped texture of a hexagonal columnar liquid crystalline (LC) phase was observed over a wide temperature range from melting point at 139 °C to isotropic transition point at 232 °C. The semiconductor thin-films prepared by spin-coating α,ω-2OD-TIFDMT shows the formation of large (~0.5-1 µm sizes) and highly crystalline plate-like grains with good interconnectivity. The molecules were found to adopt edge-on orientation on the dielectric surface resulting in favorable charge-transporting networks of π-π stacking along the dielectric-semiconductor interface. Top-contact/bottom-gate organic field-effect transistors fabricated by using the spin-coated semiconductor films, which were annealed at a low temperature (Tannealing = 50 °C), have yielded good electron mobilities as high as 0.11 cm2/V·s and high Ion/Ioff ratios of 107-108 with excellent ambient stability. This indicates two orders of magnitude (100×) enhancement in OFET mobility when compared with a low-temperature annealed well-known semiconductor, β-DD-TIFDMT. Side-chain engineering in the new semiconductor structure offers great advantage for the D-A-D π-core co-planarity while maintaining a good solubility in organic solvents, and leads to favorable optoelectronic and physicochemical characteristics for better OFET performance. Thermal annealing at LC phase results in significant deterioration in charge-transport with much lower (10,000×) electron mobility. These remarkable findings demonstrate that this new small molecule is a promising semiconductor material for the development of n-channel OFETs on flexible plastic substrates and LC-state annealing in columnar liquid crystals can be deteriorating for transistor-type charge transport.
Benzer Tezler
- Design, synthesis, and characterization of functional organic materials for optoelectronic applications
Optoelektronik uygulamalar için fonksiyonel organik malzemelerin dizaynı, sentezi ve karakterizasyonu
MEHMET ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
KimyaAbdullah Gül ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN USTA
- Doğal ve sentetik polimerlerin değişik kombinasyonları ile hazırlanan ilaç ve gen taşıyıcı sistemler: Sentez ve karakterizasyonları ile birlikte uygulama alanlarının belirlenmesi
Drug and gene delivery systems of synthetic and natural polymers: Synthesis, characterization and biomedical applications
CEYDA ŞİMŞEK
- The synthesis and characterization of periphery functional multiarm star polymers
Çevre fonksiyonlu çok kollu yıldız polimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
NEŞE ÇAKIR YİĞİT
Doktora
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRKAN HIZAL
- Hedef kimyasala duyarlı floresan malzemelerin sentezi ve kimyasal sensörlerde kullanımı
Synthesis of fluorescent materials sensitive to target chemicals and usage in chemical sensors
FEHMİ KARAGÖZ
- Designing n-type zintl phases for thermoelectric power generation applications
N-tip zintl fazlarının termoelektrik enerji üretim uygulamaları için tasarımı
VERDA BERŞAN GENCELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UMUT AYDEMİR
