Estudo de transistores orgânicos por espectroscopia vibracional não linear e microscopia por modulação de carga

• Autor(a) principal: Gomes, Douglas José Correia
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-08082019-132336/
• topic: Capacitor metal-isolante-semicondutor; Charge modulation microscopy; Eletrônica orgânica; Field-effect transistors; Geração de soma de frequências; Metal-insulator-semiconductor capacitor; Microscopia de modulação de carga; Nonlinear optics; Óptica não linear; Organic electronics; Polarização de dielétricos; Polarization of dielectrics; Sum-frequency generation; Transistores por efeito de campo

Esta Tese aborda o estudo de transistores por efeito de campo orgânicos (OFETs do inglês, Organic Feld-Effect Transistors). Entender o comportamento da carga acumulada no canal do OFET, a qual é responsável pelo processo de condução elétrica no dispositivo, é de grande importância para ajudar a melhorar sua eficiência ou a propor um modelo teórico que descreva o comportamento do transistor em todos os seus regimes de operação. Vários trabalhos na literatura investigam o campo elétrico na camada semicondutora do transistor (ao longo do canal) gerado pela acumulação de cargas, porém nenhum investiga o campo na camada dielétrica de OFETs, que é diretamente proporcional à carga acumulada no canal. Investigou-se inicialmente o campo elétrico na camada dielétrica do dispositivo por meio da espectroscopia vibracional por Geração de Soma de Frequências (espectroscopia SFG do inglês, Sum-Frequency Generation). Espectros SFG obtidos nos dispositivos polarizados exibiram uma banda em ~1720 cm-1, devido ao grupo carbonila da camada dielétrica orgânica (PMMA – poli(metil metacrilato)), cuja a amplitude foi proporcional à voltagem de porta aplicada, indicando que esses grupos polares foram orientados sob ação do intenso campo elétrico no dispositivo. Esse sinal SFG induzido pelo campo pode ser devido a duas contribuições, um termo não linear de segunda ordem (devido à reorientação molecular) e outro de terceira ordem (interação entre os campos ópticos e o campo estático no volume do material). Observamos uma redução quase completa do sinal SFG em altas temperaturas (próximas da Tg do polímero dielétrico), indicando que o mecanismo de reorientação molecular é o responsável pelo sinal SFG gerado. Foram realizadas então medidas preliminares de microscopia SFG para mapear esse sinal SFG ao longo do canal de OFETs a base dos polímeros N2200 (semicondutor) e PMMA (dielétrico). Os resultados conseguem demonstrar a variação da densidade de carga acumulada no canal quando o dispositivo está polarizado e próximo à saturação. Usando Microscopia por Modulação de Carga (microscopia CMM do inglês, Charge Modulation Microscopy), que é outro método não invasivo para investigar a acumulação de cargas em um dispositivo operando, mapeamos a distribuição de carga no canal desses OFETs com alta resolução espacial (sub-micrométrica). Além disso, uma simulação da densidade de carga esperada e dos perfis de CMM foi realizada usando um modelo ambipolar para OFETs. Com base nessas simulações, propusemos uma modulação de onda quadrada do OFET, que permite uma comparação mais direta dos perfis de CMM com o perfil de densidade de carga ao longo do canal do transistor. Usando o esquema proposto, esses perfis foram medidos e comparados com o esperado com base no modelo ambipolar. Em geral os perfis de densidade de carga obtidos concordam bem com o modelo, usando apenas um único parâmetro global ajustável, exceto muito próximo do eletrodo de dreno e no regime de saturação profunda, quando os experimentos apresentam um artefato devido à eletro-absorção e não permitem uma comparação precisa com o modelo. Portanto, espera-se que esta Tese tenha contribuído para o avanço de técnicas de caracterização da distribuição de carga em OFETs, e assim melhorar o entendimento de seus mecanismos de funcionamento.