Preliminary studies on a F4TCNQ-doped P3HT charge injection layer for vertical organic permeable base transistors

Flexible electronics offers interesting applications that have the potential to introduce big changes in many fields, including the biomedical one. A key building block for nascent flexible electronic devices are organic switching devices, typically OFETs, which however lack in switching speed. Promising structures to overcome this limitation are the Vertical Organic Permeable Base Transistors (VOPBTs), a specific kind of Vertical Organic Transistors whose features may enable switching frequencies in the high MHz regime thanks to their short channel length, achieved without using costly high-resolution patterning techniques. The EMPA research institute of Zurich is currently working on a VOPBT where graphene is used as a permeable base. In this thesis, the fabrication and the characterization of one half of this device (Bottom electrode/Organic Semiconductor (OSC)/Base electrode) are discussed, mentioning technical challenges and limitations. In particular, to improve the charge injection from metal to OSC, limited by the presence of a Schottky Barrier at the corresponding interface, a F4TCNQ-doped P3HT thin film was fabricated and pre-characterized both from a chemical and a morphological point of view. The doped films showed a new phase absent in the pristine P3HT films, which, according to what is reported in literature, might represent the source of the new charge carriers. However, further studies and electrical measurements are needed to understand the extent to which such injection layer can effectively improve charge flow at the metal-semiconductor interface. In addition to that, AFM and Raman characterization of graphene transferred onto both P3HT and C60 substrates was performed.

L'elettronica flessibile offre applicazioni interessanti in grado di introdurre profondi cambiamenti in molti campi, tra cui quello biomedico. Un elemento chiave per i futuri dispositivi elettronici flessibili è costituito dai dispositivi di commutazione organici, tipicamente i transistors ad effetto di campo (Organic Field Effect Transistors, OFET), che hanno tuttavia una scarsa velocità di commutazione. Strutture promettenti per superare questa limitazione sono i transistor verticali a base organica permeabile (Vertical Organic Permeable Base Transistors, VOPBT), un tipo specifico di transistors organici verticali le cui caratteristiche possono consentire frequenze di commutazione nel regime degli alti MHz grazie alla ridotta lunghezza del canale, ottenuta senza utilizzare costose tecniche di patterning ad alta risoluzione. L'istituto di ricerca EMPA di Zurigo sta attualmente lavorando a un VOPBT in cui il grafene è utilizzato come base permeabile. In questa tesi vengono discusse la fabbricazione e la caratterizzazione di una metà di questo dispositivo, quindi Elettrodo inferiore/Semiconduttore Organico (Organic Semiconductor, OSC)/Elettrodo di base, menzionando le difficoltà tecniche e le limitazioni incontrate. In particolare, per migliorare l'iniezione di carica dal metallo all'OSC, limitata dalla presenza di una barriera Schottky all’interfaccia corrispondente, è stato fabbricato un film sottile di P3HT drogato con F4TCNQ, successivamente pre-caratterizzato sia dal punto di vista chimico che morfologico. I film drogati hanno mostrato una nuova fase, assente nei film di P3HT puro, che, basandosi su risultati presenti in letteratura, potrebbe rappresentare la sorgente di nuovi portatori di carica. Ulteriori studi e misure elettriche sono tuttavia necessari per capire in che misura questo strato di iniezione possa effettivamente migliorare il flusso di carica. Inoltre, è stata eseguita la caratterizzazione AFM e Raman del grafene trasferito su substrati di P3HT e C60.