Fabrication and characterization of organic field effect transistors based on inkjet printing of polymer-wrapped semiconducting single walled carbon nanotubes

Solution-processable high mobility semiconductors, such as polymers and single walled carbon nanotubes (s-SWCNTs), offer a concrete opportunity to develop high performance flexible electronics for applications in the field of microelectronics, chemical and bio-sensing, and in the general emerging area of wearable, portable and distributed electronics. s-SWCNTs are currently object of intensive research in the field of nanoelectronics thanks to their impressive electronic transport properties and remarkable mechanical features. Moreover the possibility to formulate stable dispersion of nanotubes by polymer wrapping in a wide range of solvents allows the adoption of cheap solution-based deposition processes like inkjet printing, suitable for low cost and scalable fabrication processes in the perspective of the industrial production of organic electronic systems. For this reason, my thesis work focused on the optimization of inkjet printing of solutions based on semiconducting carbon nanotubes wrapped by different polymers (polyalkylthiophene and polyfluorene derivatives) for efficient field effect transistors fabrication, obtaining high performance devices with mobilities up to 3.96 cm2/Vs for holes and 0.8 cm2/Vs for electrons. Fundamental properties affecting the devices parameters (such as injection of carriers and temperature dependence of charge transport) were investigated, as well as the film morphology and the influence of the wrapping polymer on FETs performances.

I semiconduttori processabili da soluzione, come ad esempio polimeri coniugati e nanotubi di carbonio single-walled (s-SWCNTs), offrono un'opportunità concreta per lo sviluppo di elettronica flessibile ad elevate performance con applicazioni nei campi della microelettronica, del bio-sensing e in generale nel settore emergente dell'elettronica portabile e indossabile. s-SWCNT sono attualmente oggetto di ricerca nel campo della nanoelettronica per via delle loro ottime proprietà meccaniche e di trasporto. Inoltre la possibilità di formulare dispersioni stabili di nanotubi tramite funzionalizzazione con polimeri in una vasta varietà di solventi permette l'adozione di processi di deposizione innovativi e a basso costo come l'inkjet printing, che permette la fabbricazione su larga scala in prospettiva di una produzione a livello industriale di elettronica flessibile e leggera. Questo lavoro di tesi ha riguardato proprio l'ottimizzazione del processo di stampa mediante inkjet printing di inchiostri a base di nanotubi di carbonio funzionalizzati con diversi tipi di polimeri (polialchiltiofeni e polifluoreni) per la realizzazione di transistor ad effetto campo (FETs). Gli esperimenti condotti hanno portato ad ottimi risultati in termini di mobilità dei portatori, con valori massimi di 3.96 cm2/Vs per le buche e 0.8 cm2/Vs per gli elettroni. Inoltre le principali proprietà dei dispositivi sono state investigate (dipendenza del trasporto dalla temperatura, iniezione dei portatori), unitamente alla morfologia dei film stampati e all'effetto del polimero di wrapping sulle prestazioni dei FET.