Excitonic processes in multifunctional organic semiconductors for application in organic-light emitting transistor

In this thesis, I report on a comprehensive study about the photo-physical properties both in solution and in solid-state of a new thiophene based material (2,2’-(2,2’-bithiophene-5,5’-diyl)bis(5-butyl-5H-thieno[2,3-c]pyrrole-4,6)-dione (T4DIM) which shows an ambipolar semiconducting behavior together with electroluminescence in single-layer OLET device architecture[14

Fotocorrente spettrale di transistor organici irraggiati con protoni ad alta energia

Misure di fotocorrente ottenute utilizzando transistor organici irraggiati con protoni ad alta energia

Morphological instability analysis of a misfit strained core-shell nanowire for the growth of quantum dots

Nell'ambito delle nanostrutture, un ruolo primario è svolto dai punti quantici. In questo lavoro siamo interessati all'analisi teorica del processo di creazione dei punti quantici: esso può avvenire per eteroepitassia, in particolare secondo il metodo studiato da Stranski-Krastanov. Un film di Germanio viene depositato su un substrato di Silicio in modo coerente, cioè senza dislocazioni, e, a causa del misfit tra le maglie dei due materiali, c'è un accumulo di energia elastica nel film. A una certa altezza critica questa energia del film può essere ridotta se il film si organizza in isole (punti quantici), dove la tensione può essere rilassata lateralmente. L'altezza critica dipende dai moduli di Young (E, υ), dal misfit tra le maglie (m) e dalla tensione superficiali (γ). Il trasporto di materiale nel film è portato avanti per diffusione superficiale. Il punto focale nell'analisi delle instabilità indotte dal misfit tra le maglie dei materiali è la ricerca delle caratteristiche che individuano il modo di crescita più rapido dei punti quantici. In questo lavoro siamo interessati ad un caso particolare: la crescita di punti quantici non su una superficie piana ma sulla superficie di un nanofilo quantico a geometria cilindrica. L'analisi delle instabilità viene condotta risolvendo le equazioni all'equilibrio: a tal fine sono state calcolate le distribuzioni del tensore delle deformazioni e degli sforzo di un nanofilo core-shell con una superficie perturbata al primo ordine rispetto all'ampiezza della perturbazione. L'analisi è stata condotta con particolari condizioni al contorno ed ipotesi geometriche, e diverse scelte dello stato di riferimento del campo degli spostamenti. Risolto il problema elastico, è stata studiata l'equazione dinamica di evoluzione descrivente la diffusione di superficie. Il risultato dell'analisi di instabilità è il tasso di crescita in funzione del numero d'onda q, con diversi valori del raggio del core, spessore dello shell e modo normale n, al fine di trovare il più veloce modo di crescita della perturbazione.

Studio di transistor elettrochimici e loro applicazioni

In questa tesi, utilizzando le particolari proprietà del polimero conduttivo poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con polistirene sulfonato , o PEDOT:PSS, sono stati realizzati dei transistor elettrochimici organici (OECTs), in cui il gate e canale source-drain sono stati realizzati depositando su substrato di vetro film sottili di questo polimero. I dispositivi realizzati sono stati caratterizzati, per comprenderne meglio le funzionalità e le proprietà per possibili applicazioni future, in particolare come sensori di glucosio. Il PEDOT:PSS è uno dei materiali più studiati per applicazioni della bioelettronica in virtù della sua grande stabilità chimica e termica, della reversibilità del suo processo di drogaggio, della grande conducibilità e delle sue proprietà elettrochimiche, nonché della sua attività in un vasto range di pH. Vengono trattate nell’elaborato anche le tecniche di deposizione di questo polimero per la creazione di film sottili, necessari per le varie applicazioni nell’ambito della bioelettronica organica, la quale si propone di unire la biologia e l’elettronica in un mutuale scambio di informazioni e segnali. Questa interazione si sta verificando soprattutto nel campo sanitario, come si può evincere dagli esempi riportati nella trattazione. Si conclude la parte teorica con una descrizione degli OECTs: viene spiegata la loro struttura, la capacità di connettere conducibilità ionica ed elettronica e il loro funzionamento, inserendo anche un confronto con i FET (“Field Effect Transistor”), per agevolare la comprensione dei meccanismi presenti in questi strumenti. Per la parte sperimentale si presenta invece una descrizione dettagliata dei procedimenti, degli strumenti e degli accorgimenti usati nel fabbricare i transistor sui quali si è lavorato in laboratorio, riportando anche una piccola esposizione sulle principali misure effettuate: curve caratterische I–V, transcaratteristiche e misure di corrente nel tempo sono le principali acquisizioni fatte per studiare i dispositivi. E’ stata studiata la diversa risposta degli OECTs al variare della concentrazione di PBS in soluzione, mostrando un generale rallentamento dei processi e una diminuzione della capacità di modificare la corrente source-drain al calare della concentrazione. In seguito, è stato effettuato un confronto tra transistor appena fatti e gli stessi analizzati dopo un mese, osservando una riduzione della corrente e quindi della conducibilità, seppur senza una modifica qualitativa delle curve caratteristiche (che mantengono il loro andamento). Per quanto riguarda la possibilità di usare questi dispositivi come sensori di glucosio, si introduce uno studio preliminare sulla risposta di un transistor, il cui gate è stato funzionalizzato con ferrocene, alla presenza di glucosio e glucosio ossidasi, un enzima necessario al trasferimento di elettroni, nella soluzione elettrolitica, seppur con qualche difficoltà, per via della mancanza di informazioni sui parametri da utilizzare e il range in cui compiere le misure (tuttora oggetto di ricerca).

Caratterizzazione microscopica di un transistor organico a effetto di campo

Negli ultimi anni uno dei settori di ricerca più interessanti in ambito tecnologico è sicuramente quello dell'elettronica organica. Lo sviluppo è spinto dai vantaggi che portano i dispositivi basati su materiali organici: bassi costi di produzione, facilità di fabbricazione su grandi aree e flessibilità. In questa tesi andiamo ad esaminare un transistor organico a effetto di campo (OFET) dal punto di vista macroscopico e microscopico, cercando di mettere in relazione le sue caratteristiche morfologiche ed elettriche. Il dispositivo sottoposto ai test è un OFET realizzato con TIPS-pentacene come semiconduttore. Dai risultati ottenuti si evince che le prestazioni elettriche del transistor sono fortemente legate alla microstruttura assunta dal materiale organico durante la deposizione. I primi due capitoli illustrano i principi di funzionamento degli OFET e la tecnica SPM (scanning probe microscopy) utilizzata per l'indagine microscopica. Il terzo e quarto capitolo descrivono rispettivamente gli apparati sperimentali e i risultati ottenuti dall'indagine su due aree diverse del dispositivo.

Transistor elettrochimici tessili come sensori per elettronica indossabile

Questa tesi descrive lo sviluppo di un OECT (Organic Eletrochemical Transistor) basato su un polimero conduttore (PEDOT:PSS) stampato su tessuto che può essere utilizzato come sensore fisico e chimico. Il lavoro di tesi si posiziona all’interno della Wearable Technology ossia il mercato emergente dei dispositivi indossabili. Essi sono caratterizzati da innumerevoli ambiti di applicazione tra i quali troviamo le varie forme di pagamento digitale, la gestione della salute e del fitness, dell'Entertainment e l’utilizzo nel mondo della moda. Questa ricerca nello specifico mostra come tali transistor, quando utilizzati come sensori chimici, possano essere impiegati per rivelare e dosare composti redox attivi quali acido ascorbico, adrenalina e dopamina. Tali sostanze sono state scelte per l’importanza che rivestono nel metabolismo umano e la loro presenza in diversi fluidi biologici, quali sudore o sangue, può essere utile per il monitoraggio, la diagnostica e la prevenzione di diverse malattie. I sensori possono essere fabbricati mediante semplici processi di stampa su un tessuto indossabile permettendo così di monitorare tali fattori in tempo reale e con un ingombro estremamente ridotto. Il tempo di vita del dispositivo tessile è stata valutata sottoponendolo a diversi cicli di lavaggio.

Fabbricazione, caratterizzazione ed applicazioni di transistor elettrochimici organici

In questa tesi è stato esposto il lavoro, svolto in laboratorio, di fabbricazione degli OECTs, seguito dalle misure raccolte durante le prove effettuate, con le relative analisi e discussioni dei risultati ottenuti. É stato dimostrato che gli OECTs basati sul PEDOT:PSS sono in grado di fornire una misura della concentrazione di sostanze ossidanti.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Immobilizing bacteriorhodopsin on a single electron transistor

As awareness of potential human and environmental impacts from toxins has increased, so has the development of innovative sensors. Bacteriorhodopsin (bR) is a light activated proton pump contained in the purple membrane (PM) of the bacteria Halobacterium salinarum. Bacteriorhodopsin is a robust protein which can function in both wet and dry states and can withstand extreme environmental conditions. A single electron transistor(SET) is a nano-scale device that exploits the quantum mechanical properties of electrons to switch on and off. SETs have tremendous potential in practical applications due to their size, ultra low power requirements, and electrometer-like sensitivity. The main goal of this research was to create a bionanohybrid device by integrating bR with a SET device. This was achieved by a multidisciplinary approach. The SET devices were created by a combination of sputtering, photolithography, and focused ion beam machining. The bionanomaterial bacteriorhodopsin was created through oxidative fermentation and a series of transmembrane purification processes. The bR was then integrated with the SET by electrophoretic deposition, creating a bionanohybrid device. The bionanohybrid device was then characterized using a semiconductor parametric analyzer. Characterization demonstrated that the bR modulated the operational characteristics of the SET when bR was activated with light within its absorbance spectrum. To effectively integrate bacteriorhodopsin with microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS), it is critical to know the electrical properties of the material and to understand how it will affect the functionality of the device. Tests were performed on dried films of bR to determine if there is a relationship between inductance, capacitance, and resistance (LCR) measurements and orientation, light-on/off, frequency, and time. The results indicated that the LCR measurements of the bR depended on the thickness and area of the film, but not on the orientation, as with other biological materials such as muscle. However, there was a transient LCR response for both oriented and unoriented bR which depended on light intensity. From the impedance measurements an empirical model was suggested for the bionanohybrid device. The empirical model is based on the dominant electrical characteristics of the bR which were the parallel capacitance and resistance. The empirical model suggests that it is possible to integrate bR with a SET without influencing its functional characteristics.

Integration of room temperature single electron transistor with CMOS subsystem

The single electron transistor (SET) is a charge-based device that may complement the dominant metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology. As the cost of scaling MOSFET to smaller dimensions are rising and the the basic functionality of MOSFET is encountering numerous challenges at dimensions smaller than 10nm, the SET has shown the potential to become the next generation device which operates based on the tunneling of electrons. Since the electron transfer mechanism of a SET device is based on the non-dissipative electron tunneling effect, the power consumption of a SET device is extremely low, estimated to be on the order of 10^-18J. The objectives of this research are to demonstrate technologies that would enable the mass produce of SET devices that are operational at room temperature and to integrate these devices on top of an active complementary-MOSFET (CMOS) substrate. To achieve these goals, two fabrication techniques are considered in this work. The Focus Ion Beam (FIB) technique is used to fabricate the islands and the tunnel junctions of the SET device. A Ultra-Violet (UV) light based Nano-Imprint Lithography (NIL) call Step-and-Flash- Imprint Lithography (SFIL) is used to fabricate the interconnections of the SET devices. Combining these two techniques, a full array of SET devices are fabricated on a planar substrate. Test and characterization of the SET devices has shown consistent Coulomb blockade effect, an important single electron characteristic. To realize a room temperature operational SET device that function as a logic device to work along CMOS, it is important to know the device behavior at different temperatures. Based on the theory developed for a single island SET device, a thermal analysis is carried out on the multi-island SET device and the observation of changes in Coulomb blockade effect is presented. The results show that the multi-island SET device operation highly depends on temperature. The important parameters that determine the SET operation is the effective capacitance Ceff and tunneling resistance Rt . These two parameters lead to the tunneling rate of an electron in the SET device, Γ. To obtain an accurate model for SET operation, the effects of the deviation in dimensions, the trap states in the insulation, and the background charge effect have to be taken into consideration. The theoretical and experimental evidence for these non-ideal effects are presented in this work.

Development of room temperature operating single electron transistor using FIB etching and deposition technology

The single-electron transistor (SET) is one of the best candidates for future nano electronic circuits because of its ultralow power consumption, small size and unique functionality. SET devices operate on the principle of Coulomb blockade, which is more prominent at dimensions of a few nano meters. Typically, the SET device consists of two capacitively coupled ultra-small tunnel junctions with a nano island between them. In order to observe the Coulomb blockade effects in a SET device the charging energy of the device has to be greater that the thermal energy. This condition limits the operation of most of the existing SET devices to cryogenic temperatures. Room temperature operation of SET devices requires sub-10nm nano-islands due to the inverse dependence of charging energy on the radius of the conducting nano-island. Fabrication of sub-10nm structures using lithography processes is still a technological challenge. In the present investigation, Focused Ion Beam based etch and deposition technology is used to fabricate single electron transistors devices operating at room temperature. The SET device incorporates an array of tungsten nano-islands with an average diameter of 8nm. The fabricated devices are characterized at room temperature and clear Coulomb blockade and Coulomb oscillations are observed. An improvement in the resolution limitation of the FIB etching process is demonstrated by optimizing the thickness of the active layer. SET devices with structural and topological variation are developed to explore their impact on the behavior of the device. The threshold voltage of the device was minimized to ~500mV by minimizing the source-drain gap of the device to 17nm. Vertical source and drain terminals are fabricated to realize single-dot based SET device. A unique process flow is developed to fabricate Si dot based SET devices for better gate controllability in the device characteristic. The device vi parameters of the fabricated devices are extracted by using a conductance model. Finally, characteristic of these devices are validated with the simulated data from theoretical modeling.

Photo-induced intramolecular charge transfer in an ambipolar field-effect transistor based on a pi-conjugated donor-acceptor dyad

A pi-conjugated tetrathiafulvalene-fused perylenediimide (TTF-PDI) molecular dyad is successfully used as a solution-processed active material for light sensitive ambipolar field-effect transistors with balanced hole and electron mobilities. The photo-response of the TTF-PDI dyad resembles its absorption profile. Wavelength-dependent photoconductivity measurements reveal an important photo-response at an energy corresponding to a PDI-localized electronic pi-pi* transition and also a more moderate effect due to an intramolecular charge transfer from the HOMO localized on the TTF unit to the LUMO localized on the PDI moiety. This work clearly elucidates the interplay between intra- and intermolecular electronic processes in organic devices.

Processing and adsorption control in ZnO single nanowire photodetectors

ZnO single nanowire photodetectors have been measured in different ambient conditions in order to understand and control adsorption processes on the surface. A decrease in the conductivity has been observed as a function of time when the nanowires are exposed to air, due to adsorbed O2/H2O species at the nanowire surface. In order to have a device with stable characteristics in time, thermal desorption has been used to recover the original conductivity followed by PMMA coating of the exposed nanowire surface.