SEMICONDUTTORI ORGANICI PER LELETTRONICA Antonio.Cassinese CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di...

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SEMICONDUTTORI ORGANICI PER SEMICONDUTTORI ORGANICI PER L’ELETTRONICA L’ELETTRONICA Antonio.Cassinese Antonio.Cassinese CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Scienze Fisiche Università di Napoli Federico Federico II II Università di Università di Napoli “Federico Napoli “Federico II” II” CNR- INFM CNR- INFM COHERENTIA COHERENTIA

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SEMICONDUTTORI ORGANICI PER SEMICONDUTTORI ORGANICI PER L’ELETTRONICAL’ELETTRONICA

Antonio.Cassinese Antonio.Cassinese

CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli FedericoScienze Fisiche Università di Napoli Federico II II

Università di Napoli Università di Napoli “Federico II”“Federico II”

CNR- INFM CNR- INFM COHERENTIACOHERENTIA

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Introduzione ai semiconduttori organici Introduzione ai semiconduttori organici

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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PRODOTTI COMMERCIALI – TV OLEDPRODOTTI COMMERCIALI – TV OLED

DALL’AUTUNNO 2008, SONY DALL’AUTUNNO 2008, SONY HA INIZIATO A HA INIZIATO A

COMMERCIALIZZARE LA COMMERCIALIZZARE LA PRIMA TV OLED – (Organic PRIMA TV OLED – (Organic

Light Emitting Diode) Light Emitting Diode) XEL 1: SCHERMO 11’’XEL 1: SCHERMO 11’’

Costo 2.400 euro Costo 2.400 euro

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

GIA’ COMMERCIALIZZATI GIA’ COMMERCIALIZZATI DA TEMPO: DA TEMPO: MINI MINI

DISPLAYS – PER DISPLAYS – PER CELLULARI, OROLOGI E CELLULARI, OROLOGI E

MP3 PLAYERSMP3 PLAYERS

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E-PAPER: E-PAPER: FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS – GIORNALE FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS – GIORNALE ELETTRONICO ELETTRONICO

PROSPETTIVA APPLICATIVA: ELECTRONIC PAPERPROSPETTIVA APPLICATIVA: ELECTRONIC PAPER

EX SPIN-OFF DELL’UNIVERSITA’ EX SPIN-OFF DELL’UNIVERSITA’ CAMBRIDGE CAMBRIDGE

Si prevede che la commercilaizzazione inizierà nella primavera Si prevede che la commercilaizzazione inizierà nella primavera 2009. Nuova factory a Dresda – 2009. Nuova factory a Dresda – $$100 mln di investimento100 mln di investimento

http://it.youtube.com/watch?v=rYc4dnVs4RMhttp://it.youtube.com/watch?v=rYc4dnVs4RM

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

MULTIFUNZIOMULTIFUNZIONALITA’NALITA’

FILM FILM SOTTILI SOTTILI

ORGANICIORGANICI

BASSI BASSI COSTICOSTI

Substrati Substrati flessibiliflessibili

Tailoring Tailoring chimico chimico infinitoinfinito

BIOCOMPATIBIOCOMPATIBILITA’BILITA’

Tecniche di Tecniche di printing roll to printing roll to

roll- inkjetroll- inkjet

Sensing chimico, Sensing chimico, biologico, biologico,

Packaging attivoPackaging attivo

Schermi flessibili, Schermi flessibili, Schermi OLEDSchermi OLED

Etichette RFIDEtichette RFID, , Smart objects, Smart objects,

MemorieMemorie

Energia alternativa Energia alternativa Integrazione con Integrazione con inorganici - ibridiinorganici - ibridi

SEMICONDUTTORI ORGANICI: NUOVO SEMICONDUTTORI ORGANICI: NUOVO PARADIGMA PER L’ELETTRONICAPARADIGMA PER L’ELETTRONICA

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PROSPETTIVE: (PROSPETTIVE: ($$) !!!!!!) !!!!!!

…….IDTechEx forecast plastic electronics will be a .IDTechEx forecast plastic electronics will be a $48 billion industry $48 billion industry by 2017, by 2017, and could reach as much asand could reach as much as $300 billion by 2027…. $300 billion by 2027….

http:// www.oe-a.nethttp:// www.oe-a.net (Organic Electronics Association) (Organic Electronics Association)http://www.IDtechEx.comhttp://www.IDtechEx.comFONTEFONTE:

EVOLUZIONE DEL MERCATO DELL’ELETTRONICA ORGANICAEVOLUZIONE DEL MERCATO DELL’ELETTRONICA ORGANICA

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Aspetti fondamentali del Aspetti fondamentali del Trasporto di caricaTrasporto di carica

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Si definisce organico qualsiasi composto del Carbonio (C) in cui questi abbia Si definisce organico qualsiasi composto del Carbonio (C) in cui questi abbia numero di ossidazione inferiore a +4. Altri atomi componenti: H, N, O e in minor numero di ossidazione inferiore a +4. Altri atomi componenti: H, N, O e in minor misura S, Si . misura S, Si . SOFT MATTER (materia soffice)

REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DI CARICA : PRESENZA DI REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DI CARICA : PRESENZA DI LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO E FENOMENI DI IBRIDIZZAZIONE LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO E FENOMENI DI IBRIDIZZAZIONE

Doppio Legame: Orbitale Doppio Legame: Orbitale σσ e orbitale p (e orbitale p (ππ))

Gli orbitali p danno luogo ad un legame di tipo Gli orbitali p danno luogo ad un legame di tipo ππ formando una “una nuvola” formando una “una nuvola” di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo σσ..

Il legame di tipo p è più debole Il legame di tipo p è più debole del legame di tipo sigma (quindi più reattivodel legame di tipo sigma (quindi più reattivo

Acetilene: CAcetilene: C22HH22

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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TRASPORTO DI CARICA NEGLI ORGANICI – RIASSUMENDO TRASPORTO DI CARICA NEGLI ORGANICI – RIASSUMENDO • Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori organici formano strutture Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori organici formano strutture a stato solido solo parzialmente cristalline – Trasporto in assenza di a stato solido solo parzialmente cristalline – Trasporto in assenza di Bande delocalizzate – Hopping delle cariche – ATTIVAZIONE TERMICA. Bande delocalizzate – Hopping delle cariche – ATTIVAZIONE TERMICA.

• Concentrazioni basse dei portatori di carica- effetti inevitabili di Concentrazioni basse dei portatori di carica- effetti inevitabili di Doping (unintentional) da impurezze.Doping (unintentional) da impurezze.

• Fenomeno dell’iniezione dei portatori ancora non completamente Fenomeno dell’iniezione dei portatori ancora non completamente compreso e ben descritto.compreso e ben descritto.

• Presenza diPresenza di effetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle effetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle cariche) e fenomeni di trapping (sia estrinseco che intrinseco).cariche) e fenomeni di trapping (sia estrinseco che intrinseco).

Tutti questi fenomeni sono comuni ai dispositivi organici e ne influenzano la risposta macroscopica. In molti casi, alcuni di essi sono

prevalenti rispetto agli altri e sono tenuti in maggior considerazione.

Macroscopicamente il Macroscopicamente il trasporto di carica trasporto di carica risulta sempre non risulta sempre non

lineare.lineare.

Eenenv J Con n e Con n e µ dipendenti dal campo Eµ dipendenti dal campo E

Es: )exp(*)exp(kTE

kT

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Dispositivi ed applicazioni Dispositivi ed applicazioni principali: esempiprincipali: esempi

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NUOVA FRONTIERA- OLED Bianchi: LightningNUOVA FRONTIERA- OLED Bianchi: Lightning

SCHERMI AD OLED: ULTRAPIATTI SCHERMI AD OLED: ULTRAPIATTI

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

OLED vs LCDOLED vs LCD• Assenza di retroilluminazioneAssenza di retroilluminazione

• Angolo di visuale maggiore di 180°Angolo di visuale maggiore di 180°

• Minor consumo di energiaMinor consumo di energia

• Tempi di risposta più rapidi Tempi di risposta più rapidi

• Color tunability Color tunability SVANTAGGI: Lifetime: Degradazione dovuta ad ossigeno e umidità – SVANTAGGI: Lifetime: Degradazione dovuta ad ossigeno e umidità –

Necessità di incapsulamento – Aumento dei costi.Necessità di incapsulamento – Aumento dei costi.

ALTA EFFICIENZA DI EMISSIONE: RISPARMIO ALTA EFFICIENZA DI EMISSIONE: RISPARMIO ENEREGETICO ENEREGETICO

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ORGANIC SOLAR CELLSORGANIC SOLAR CELLS

Efficienza e’ ancora bassa 4-5% come migliore risultato , ma in linea di Efficienza e’ ancora bassa 4-5% come migliore risultato , ma in linea di principio e’ possibile ricoprire di OSC aree molto piu’ grandi : mattonelle, principio e’ possibile ricoprire di OSC aree molto piu’ grandi : mattonelle,

intere pareti di edifici ecc. intere pareti di edifici ecc.

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Struttura simile ad Oled (multilayer): comportamento Duale – i fotoni Struttura simile ad Oled (multilayer): comportamento Duale – i fotoni incidenti generano cariche, con passaggio di corrente incidenti generano cariche, con passaggio di corrente

Tipologie:Tipologie:

-Celle completamente organiche Celle completamente organiche (heterojunction)(heterojunction)

- Celle ibride organiche-Celle ibride organiche-inorganiche (TiO2 es.)inorganiche (TiO2 es.)

- Celle Dye sensitizedCelle Dye sensitized

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DISPOSITIVI ORGANICI BISTABILI: APPLICAZIONI DI MEMORIADISPOSITIVI ORGANICI BISTABILI: APPLICAZIONI DI MEMORIA

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Resistive Random Access Memory

Glass Substrate

Ps +Au-DT NPs + 8HQ

Al

Al

PRINCIPALI TIPOLOGIEPRINCIPALI TIPOLOGIE

• Singoli layer o multilayer di Singoli layer o multilayer di oligomeri o polimeri tra elettrodi oligomeri o polimeri tra elettrodi metallicimetallici

• Filler conduttivi (MNP, molecole Filler conduttivi (MNP, molecole coniugate) in matrici organiche coniugate) in matrici organiche isolanti o semi-isolantiisolanti o semi-isolanti

UNDER DEBATEUNDER DEBATE

EFFETTI INTRINSECI : Coniugazione e/o EFFETTI INTRINSECI : Coniugazione e/o orientazione delle molecole in funzione del orientazione delle molecole in funzione del campo Applicato- Effetti di trasferimento di campo Applicato- Effetti di trasferimento di caricacarica

EFFETTI ESTRINSECIEFFETTI ESTRINSECI

Contributo degli Elettrodi (Al), formazione di Contributo degli Elettrodi (Al), formazione di stati sottili di ossidi, Conduzione filamentare.stati sottili di ossidi, Conduzione filamentare.

Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria che combini la che combini la velocità delle DRAMvelocità delle DRAM, la , la non volatilità delle FLASH memorynon volatilità delle FLASH memory, il , il

basso costo, la densità di storage e l’endurance degli HARD DISKbasso costo, la densità di storage e l’endurance degli HARD DISK.

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Spintronica organica: Trasporto di spin nei semiconduttori organici Spintronica organica: Trasporto di spin nei semiconduttori organici – Dispostivi magnetoresistivi– Dispostivi magnetoresistivi

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

I materiali organici permettono di preservare meglio la corenza di spin I materiali organici permettono di preservare meglio la corenza di spin rispetto agli altri semiconduttori (low spin orbit coupling).rispetto agli altri semiconduttori (low spin orbit coupling).

ALTRI DISPOSTIVI ORGANICI MAGNETORESISTIVI: OMAR (senza uso di ALTRI DISPOSTIVI ORGANICI MAGNETORESISTIVI: OMAR (senza uso di elettrodi ferromagnetici). MR response a temperatura ambiente con alti elettrodi ferromagnetici). MR response a temperatura ambiente con alti

campi elettrici applicati – ORIGINE IN DISCUSSIONE !!!campi elettrici applicati – ORIGINE IN DISCUSSIONE !!!

Z.H. Xiong Z.H. Xiong et et al., Nature 427, 821 al., Nature 427, 821 (2004)(2004)

Alq3Alq3

SPIN VALVE: elettrodi SPIN VALVE: elettrodi ferromagnetici ferromagnetici

V=0.1VoltV=0.1Volt

MR a bassi MR a bassi campi e basse Tcampi e basse T

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Organic Field Effect TransistorsOrganic Field Effect Transistors

((a) Top Contact / Bottom Gate (TC/BG)a) Top Contact / Bottom Gate (TC/BG)(b) Bottom Contact / Bottom Gate (BC/BG)(b) Bottom Contact / Bottom Gate (BC/BG)(c) Bottom Contact / Top Gate (BC/TG)(c) Bottom Contact / Top Gate (BC/TG)

STRUTTURE STRUTTURE OFET - TFTOFET - TFT

MOSFETMOSFET

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

DIFFERENZE PRINCIPALIDIFFERENZE PRINCIPALI

• MOSFET basato sul fenoemno dell’inversione – OFET su accumulazione, meccanismo MOSFET basato sul fenoemno dell’inversione – OFET su accumulazione, meccanismo intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente critico)critico)

• Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente di tipo p o n (meno raramente)di tipo p o n (meno raramente)

• Drain e Source metallici (resistenze di contatto)Drain e Source metallici (resistenze di contatto)

• Mobilità dei portatori dipendente dalla tensione di gate applicata (da densità dei Mobilità dei portatori dipendente dalla tensione di gate applicata (da densità dei portatori) portatori)

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Nonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente INonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente IDSDS=f(V=f(VDSDS, V, VGSGS) )

negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage)MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage)

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica Organic Field Effect TransistorsOrganic Field Effect Transistors

)(* thGDSi

DS VVVL

WCI

LINEARE VLINEARE VGSGS>V>VDSDS

2)(*2 thG

i

DSVV

LWC

I SATURAZIONE SATURAZIONE VVGSGS=V=VDSDS

Output curves: IDS vs VDS at different Vg Transfer curve: IDS vs Vg at fixed VDS

Mobilità FET compresa tra 10Mobilità FET compresa tra 10-4-4 cm cm22/V*s per fet polimerici amorfi a circa /V*s per fet polimerici amorfi a circa 30 cm30 cm22/V*s per fet con cristalli molecolari (RUBRENE)- /V*s per fet con cristalli molecolari (RUBRENE)- [aSi [aSi ~~1 cm1 cm22/V*s]/V*s]

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APPLICAZIONI O-FETAPPLICAZIONI O-FET

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Circuiti raddrizzatori e logiche circuitali basate sul transistor organici – Frequenze operative richieste fino a 13.56 MHz – Ottimizzazione della mobilità

e del layout del dispositivo

Radio Frequency Identification Tag (O-RFID)

Price-sensitive mass markets

O-LET: Organic Light Emitting Transistors (Oled+Ofet)

Trasporto ambipolare: per una stessa Trasporto ambipolare: per una stessa polarità di Vpolarità di VDSDS e V e VGSGS vengono accumulati vengono accumulati

sia elettroni che lacune che poi si sia elettroni che lacune che poi si ricombinano emettendo lucericombinano emettendo luce

(MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – (MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – DIFFICILE OTTIMIZZAZIONEDIFFICILE OTTIMIZZAZIONE)Smart pixelSmart pixel

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SENSORI DI GAS: Esempi in letteraturaSENSORI DI GAS: Esempi in letteratura

Upon exposure to a saturated Upon exposure to a saturated atmosphere of 1-pentanol in Natmosphere of 1-pentanol in N22

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

APPLICAZIONI O-FET: SENSORIAPPLICAZIONI O-FET: SENSORI

SENSORI DI PRESSIONE: Esempi in letteraturaSENSORI DI PRESSIONE: Esempi in letteratura

The robot skinThe robot skin

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Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Tecniche di deposizione in Tecniche di deposizione in vuoto e sistemi di vuoto e sistemi di

caratterizzazione elettricacaratterizzazione elettrica

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SISTEMA DI DEPOSIZIONE OMBD (Organic Molecular Beam Deposition)SISTEMA DI DEPOSIZIONE OMBD (Organic Molecular Beam Deposition)

Deposizione di film organici con evaporazione da Celle KnudsenDeposizione di film organici con evaporazione da Celle Knudsen

1010-7-7/ 10/ 10-8-8mbarmbar

CELLE DI KNUDSENCELLE DI KNUDSEN

CONTROLLO ACCURATO DELLA TEMPERATURA DEL CONTROLLO ACCURATO DELLA TEMPERATURA DEL SUBSTRATO E DEL RATE DI CRESCITA (Tickness Monitor)SUBSTRATO E DEL RATE DI CRESCITA (Tickness Monitor)

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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SISTEMA DI DEPOSIZIONE MAPLESISTEMA DI DEPOSIZIONE MAPLE• TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione

di polimeri usando come target una soluzione congelata di polimeri usando come target una soluzione congelata

frozentarget

(heated)substrate

pulsedlaser beam

frozentarget

(heated)substrate

pulsedlaser beam

Semiconducting polymers: Semiconducting polymers: Poly[2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-1,4-Poly[2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] (MEH-PPV) - Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)phenylene vinylene] (MEH-PPV) - Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish peroxidase (HRP)peroxidase (HRP)

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale)TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale)

USO DI MASCHEREUSO DI MASCHERE

POLIMERI FOTOSENSIBILI POLIMERI FOTOSENSIBILI (FOTORESIST)(FOTORESIST)

per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del μμm m su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori

ATTACCHI CHIMICI ATTACCHI CHIMICI SELLETTIVISELLETTIVI

maschera

resist

Illuminazione UV

3.5 mmGeometria del canale variabileGeometria del canale variabile

TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHYTECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY MICROCANALI IN MATRICE DI PDMS (Studio di Microemoreologia) – in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli– in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli))

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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PROBE STATION CROGENICAPROBE STATION CROGENICA

TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA’ ELETTRICHETECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA’ ELETTRICHE

• Misure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulkMisure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulk

• Conducibilità dai semi-isolanti (10Conducibilità dai semi-isolanti (10-10 -10 S/cm) ai superconduttoriS/cm) ai superconduttori

• Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K (-268.8 °C)Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K (-268.8 °C)

• Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte)Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte)

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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TECNICHE DI CARATTERZZAZIONE STRUTTURALE DEI FILM DEPOSITATITECNICHE DI CARATTERZZAZIONE STRUTTURALE DEI FILM DEPOSITATI

• CARATTERIZZAZIONE AFM E RAGGI XCARATTERIZZAZIONE AFM E RAGGI X

• Analisi FTIR (fornisce informazioni sulla struttura a corto raggio del Analisi FTIR (fornisce informazioni sulla struttura a corto raggio del polimero)polimero)

• Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sull’ordine strutturale del Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sull’ordine strutturale del polimero nel film)polimero nel film)

600 900 1200 1500 1800 2700 3000 3300 3600

Solution Cast Maple 150°C Maple and annealing 150°C

Abs

orba

nce

Wavenumber (cm-1)wavenumber (cm-1)

abso

rban

ce

Analisi FTIR

200 300 400 500 600 700 800

180°C 150°C 80°C 30°C 25°C Spin Coating CHCl

3 solution

Abso

rban

ce

Wavelength (nm)

Analisi UV/VIS

wavelength (nm)200 400 600 800

abso

rban

ce

transition peaks

main chains(VIS)

side chains (UV)

MAPLEMAPLE deposited poly[3-(4-octyloxyphenyl) thiophene film deposited poly[3-(4-octyloxyphenyl) thiophene film

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Transistor organici (OFET): Transistor organici (OFET): attività di ricerca e linee di attività di ricerca e linee di

svilupposviluppo

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PRINCIPALI ATTIVITA’ FET ORGANICIPRINCIPALI ATTIVITA’ FET ORGANICI Deposizione film, caratterizzazione strutturale e analisi delle proprietà elettrica DC di fet oligomerici (Pentacene, Sexitiofene (T6) (Ptype), Deposizione film, caratterizzazione strutturale e analisi delle proprietà elettrica DC di fet oligomerici (Pentacene, Sexitiofene (T6) (Ptype),

Perilene (Ntype)) e polimerici (P3HT, da soluzione e con tecnica MAPLE)Perilene (Ntype)) e polimerici (P3HT, da soluzione e con tecnica MAPLE)

Analisi dei fenomeni di Bias stress nei transistor organici.Analisi dei fenomeni di Bias stress nei transistor organici.

Sviluppo Tecniche di Spettroscopia di Impedenza per lo studio della risposta in frequenza dei FET organici.Sviluppo Tecniche di Spettroscopia di Impedenza per lo studio della risposta in frequenza dei FET organici.

Tecniche Termografiche per analisi della distribuzione di corrente nei fet organici.Tecniche Termografiche per analisi della distribuzione di corrente nei fet organici.

Analisi della risposta dei fet in presenza di luce: fenomeni di trapping.Analisi della risposta dei fet in presenza di luce: fenomeni di trapping.

Analisi di biocompatibilità dei film organici con sistemi cellulari Analisi di biocompatibilità dei film organici con sistemi cellulari in vitroin vitro - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico. - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico.

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”

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OLIGOMERI– OLIGOMERI– (Evaporazione per celle di Knudsen 10(Evaporazione per celle di Knudsen 10-7 -7 1010-8-8 mbar ) mbar )

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

T6 - Sexithiophene - T6 - Sexithiophene - CC2424HH1414SS6 6 µ µ

~ 10~ 10-2-2 cm cm22/volt*sec/volt*sec PENTACENE - PENTACENE - CC2222HH14 14 µ µ

~ 10~ 10-1-1 cm cm22/volt*sec/volt*sec

P-TYPEP-TYPE

N,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide PTCDI-C8HN,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide PTCDI-C8H

µ ~ 10µ ~ 10-1-1 cm cm22/volt*sec/volt*sec – (instabile in aria) – (instabile in aria)

N-TYPEN-TYPE

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MORFOLOGIA: CARATTERIZZAZIONE AFM e X-raysMORFOLOGIA: CARATTERIZZAZIONE AFM e X-rays

FILM POLICRISTALLINI (es.T6)FILM POLICRISTALLINI (es.T6) X - RAYSX - RAYS

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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(Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione) (Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione)

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

SEXITHIOPHENESEXITHIOPHENEAFMAFMstep-like islands

TSUB Effect

lamellaeRounded-shape grains

200°C40<T<80°CRT 100<T<150°C

0.12 ML/min (terraces) (2D) 7.65 ML/min (grains) (3D)3 ML/min (dendritic)

PENTACENEPENTACENEGrowth rateGrowth rate effecteffect TTSUB SUB =60 °C=60 °C

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Bottom contact, bottom gate Bottom contact, bottom gate Substrato di SiOSubstrato di SiO22, contatti interdigitati d’oro, 2 dispositivi differenti , contatti interdigitati d’oro, 2 dispositivi differenti

per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto W/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICAW/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICA

L= 40 L= 40 µm (C,D) - L=20 µm (C,D) - L=20 µmµm (A,B)(A,B)W/L= 550 W/L= 550 (A, B, C, D)(A, B, C, D)

AA BB

CC DD

GOLDGOLD

SiO2 (200nm) – Ossido termicoFILM ORGANICOFILM ORGANICO

SOURCESOURCE

Si++ (GATE)

DRAIN DRAIN

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

STRUTTURA DEI FETSTRUTTURA DEI FET

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ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6

-50 -40 -30 -20 -10 0

-2,4x10-5

-1,8x10-5

-1,2x10-5

-6,0x10-6

0,0

DR

AIN

SO

RC

E C

UR

RE

NT

[A

MP

ER

E]

DRAIN SOURCE VOLTAGE [VOLT]

vG=0 vG=-10 vG=-20 vG=-30 vG=-40 vG=-50

-60 -40 -20 0 20 40 60-5,0x10-4

-4,0x10-4

-3,0x10-4

-2,0x10-4

-1,0x10-4

0,0

ARIA VUOTO

DR

AIN

SO

UR

CE

CU

RR

EN

T [

AM

PE

RE

]

GATE VOLTAGE [volt]

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

0 20 40 60 80 100 120 140

10-3

10-2

mo

bili

ty [

cm2 /v

olt

*sec

]

Thickness (nm)

lineare saturazione

LineareLineare

SaturazioneSaturazione

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-60 -40 -20 0 20 40 60

0,0

5,0x10-6

1,0x10-5

1,5x10-5

2,0x10-5 VDS=-5 volt

- D

RA

IN S

OR

UC

E C

UR

RE

NT

[A

MP

ER

E]

- GATE VOLTAGE

Room Temperature T=270 K T=250 K T=230 K T=210 K T=190 K T=170 K T=150 K T=130 K T=110 K T=100 K T=90 K T=80 K T=70 K

-40 0 4010-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

VDS=-5 volt

- D

RA

IN S

OR

UC

E C

UR

RE

NT

[A

MP

ER

E]

- GATE VOLTAGE

0,004 0,008 0,01210-5

10-4

10-3

10-2

MO

BIL

ITY

[c

m2 /v

olt

*se

c]

Temperature-1 [K-1]

Ahrrenius LawAhrrenius Law

Activation energy Activation energy Ea = 60 – 90 meVEa = 60 – 90 meV

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 (Temperatura)ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 (Temperatura)

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β=parametro di dispersione, τ =tempo di rilassamentoβ=parametro di dispersione, τ =tempo di rilassamento

Fenomeno legato all’intrappolamento progressivo delle cariche libere, β e τ legate alla distribuzione delle Fenomeno legato all’intrappolamento progressivo delle cariche libere, β e τ legate alla distribuzione delle trappoletrappole

Shift della Treshold voltage Shift della Treshold voltage (tensione di soglia) dovuto alla (tensione di soglia) dovuto alla

polarizzazione continua dl polarizzazione continua dl dispositivodispositivo

)(* thGDSi

DS VVVL

WCI

In caso di polarizzazione In caso di polarizzazione continua, il bias stress continua, il bias stress

produce un decadimento della produce un decadimento della corrente con il tempocorrente con il tempo

11

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANIC – BIAS STRESSFENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANIC – BIAS STRESS

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Fenomeno comune ad altri Fenomeno comune ad altri semiconduttori amorfi o semiconduttori amorfi o

policristallini – (policristallini – (ααSi)Si)

Massima diminuzione tollerabile Massima diminuzione tollerabile intorno al 10 % intorno al 10 %

PIXELPIXEL

Caso praticoCaso pratico

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANICI FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANICI – BIAS STRESS– BIAS STRESS

MINIMIZZARE L’EFFETTO – COMPRENSIONE DELL’ORIGINE FISICAMINIMIZZARE L’EFFETTO – COMPRENSIONE DELL’ORIGINE FISICA

0 900 1800 27005,0x10-6

1,0x10-5

1,5x10-5

2,0x10-5

2,5x10-5

cu

rren

t (A

)

Time (sec)

d=90nm Misure d=90 nm FIT MINUIT d=10 nm Misure d=10 nm FIT MINUIT11

Correlazione di Correlazione di ββ e e con parametri di con parametri di

deposizionedeposizione

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(GATE)DRAINDRAIN

Organic

Dielectric

SOURCESOURCE LCR meter

VVacac*sin(*sin(ωωt)+Vt)+Vdcdc-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

8.80x10-10

9.00x10-10

9.20x10-10

9.40x10-10

9.60x10-10

9.80x10-10

1.00x10-9

1.02x10-9

1.04x10-9

1.06x10-9

Accumulation

Freq=100Hz

CA

PA

CIT

AN

CE

[F

arad

]

Bias voltage [Volt]

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

RISPOSTA AC DEI FET ORGANICIRISPOSTA AC DEI FET ORGANICI

102 103 104 105

8.0x10-10

9.0x10-10

1.0x10-9

VG=-40

VG=-35

VG=-30

VG=-25

VG=-20

VG=-15

VG=-10

VG=+20

VG=+40

CA

PA

CIT

AN

CE

[F

AR

AD

]

FREQUENCY [Hz]

102 103 104 105

8.0x10-10

9.0x10-10

1.0x10-9

Fc=3.7KHz

Vg=-40

CA

PA

CIT

AN

CE

[F

AR

AD

]

Frequency [Hz]

MAX FREQ. OPERATIVAMAX FREQ. OPERATIVA

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Open circuit at L/2Open circuit at L/2

MOD 1MOD 1

Trans. LineTrans. Line

RcCc

RcCc

MOD 2MOD 2

Trans. LineTrans. Line

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

RISPOSTA AC DEI FET ORGANICIRISPOSTA AC DEI FET ORGANICI

Tool for Contact Resistance extractionTool for Contact Resistance extraction

-40 -35 -30 -25 -20 -15

105

106

CO

NT

AC

T -

CH

AN

NE

L R

ES

[]

GATE VOLTAGE [VOLT]

Valori RCH

capacità Valori R

C capacità

103 104 1050.0

2.0x10-11

4.0x10-11

6.0x10-11

8.0x10-11

1.0x10-10

1.2x10-10

1.4x10-10

1.6x10-10

Vg=-40 Vg=-35 Vg=-30 Vg=-25 Vg=-20 Vg=-15

ANGULAR FREQUENCY [s-1]

Cap

acit

ance

[F

arad

]

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TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICICORRENTE IN FET ORGANICI

Prof. G. BREGLIO, Prof. A. IRACEProf. G. BREGLIO, Prof. A. IRACE

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

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50 100 150 200 250 300

50

100

150

200

250

0.5

1

1.5

2

2.5

x 10-4

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICICORRENTE IN FET ORGANICI

, ,TOT

T x y T x y

TOT

A AFF

A

,

1h c hFF

FILL FACTOR – CORREZIONE CALCOLO DELLA MOBILITA’FILL FACTOR – CORREZIONE CALCOLO DELLA MOBILITA’

VVGSGS=-50V=-50V

VVDSDS=-50V=-50V

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INTERAZIONE LUCE E FET ORGANICI – FENOMENI DI TRAPPINGINTERAZIONE LUCE E FET ORGANICI – FENOMENI DI TRAPPING

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica

P TYPEP TYPE

-20 0 20 40

10-8

10-7

10-6

1x10-5

1x10-4

10-3

10-2

10-1

VDS

=50 Volt

Oscurità Sotto un'illuminazione di 20 min Oscurità dopo 60 min da illuminazione

DR

AIN

SO

UR

CE

CU

RR

EN

T [

Am

pere

]

Gate voltage [volt]

PERYLENE - N TYPEPERYLENE - N TYPE

Misura in vuoto Misura in vuoto Effetto MemoriaEffetto Memoria

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FET ORGANICI: compatibilità con la vita di cellule umane !!!FET ORGANICI: compatibilità con la vita di cellule umane !!!CELLULE CELLULE

NEURONALINEURONALI

Interfacce

Neuro-elettroniche

Rilevazione e trasduzione

segnali neuronali

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – BIOSENSORIFET ORGANICI – BIOSENSORI

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In collaborazione con gruppo Prof. In collaborazione con gruppo Prof. S. Guido – Dip, Ingegneria ChimicaS. Guido – Dip, Ingegneria Chimica

ANALISI DELLA DEGRADAZIONE IN ACQUA DI FET DI T6

STUDIO PRELIIMINARE: SAGGI DI TOSSICITA’ DI FIBROBLASTI SU FET DI T6

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – BIOSENSORIFET ORGANICI – BIOSENSORI

-30 0 30

10-9

10-8

10-7

10-6

T=0 dopo 64 ore dopo 114 ore dopo 232 ore dopo 302 ore

DR

AIN

SO

UR

CE

CU

RR

EN

T [

Am

pere

]

GATE VOLTAGE [Volt]0 100 200 300

5.0x10-4

1.0x10-3

1.5x10-3

2.0x10-3 IN ZONA LINEARE

Mo

bili

ty [

cm2 /v

olt

*sec

]

Time [Hours]

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9 micron

t = 0 secondi

t = 0.01 secondi

t = 0.02 secondi

100 micron

a)

Si doped GateSi doped Gate

Organic Organic filmfilm

PDMS micro- channelPDMS micro- channel

Micro-fluidMicro-fluid

ATTIVITA’ DA SVILUPPAREATTIVITA’ DA SVILUPPARE

Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – INTEGRAZIONE CON MICROFLUIDICAFET ORGANICI – INTEGRAZIONE CON MICROFLUIDICA

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FET ORGANICI – LINEE DI RICERCAFET ORGANICI – LINEE DI RICERCA

FET FET ORGANICIORGANICI

Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”

Sintesi e studio di nuovi materiali Sintesi e studio di nuovi materiali ottimizzazione processo di deposizione ottimizzazione processo di deposizione Caratterizzazioni strutturali Caratterizzazioni strutturali AFM/EFMAFM/EFM

Prof. Roviello – Dott. Marco Salluzzo

Obiettivo: n type Obiettivo: n type stabile in ariastabile in aria

Implementazione nuove tecniche di Implementazione nuove tecniche di misura: Tecniche AC, Misure di misura: Tecniche AC, Misure di

Rumore, Sviluppo Tecniche Rumore, Sviluppo Tecniche Termografia Termografia

Prof. G. Breglio, Prof. A. Irace

Obiettivo:Modeling Obiettivo:Modeling elettrico dei dispositivielettrico dei dispositivi

Verifica utilizzo OFET come Verifica utilizzo OFET come bioesensori - integrazione con bioesensori - integrazione con sistemi microfluidicisistemi microfluidici

Prof. S. Guido, Dott. F. Biscarini (CNR_ISMN Bologna) –

Obiettivo: Interfacce Obiettivo: Interfacce neuroelettronicheneuroelettroniche

Studio interazione OFET con Studio interazione OFET con luce e tecniche di analisi luce e tecniche di analisi

ottiche innovative.ottiche innovative.

Prof. L. Vicari – F. Bloisi

Obiettivo: Studio dei Obiettivo: Studio dei meccanismi di trappingmeccanismi di trapping

SVILUPPI – PROSPETTIVESVILUPPI – PROSPETTIVE - LAVORO- LAVORO

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FET ORGANICI – LINEE DI RICERCAFET ORGANICI – LINEE DI RICERCADip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”

PEOPLE INVOLVEDPEOPLE INVOLVED

• Antonio Cassinese – Researcher (Group Leader)Antonio Cassinese – Researcher (Group Leader)

• Carmela Aruta – CNR researcher Carmela Aruta – CNR researcher

• Pasquale D’Angelo – Phd Pasquale D’Angelo – Phd

• Flavia Viola Di Girolamo - Flavia Viola Di Girolamo -

• Tommaso Viggiano – Tommaso Viggiano –