Nanoindentazione dello strato di pentacene in otft sottoposti a irraggiamento ionico

In questa tesi abbiamo presentato i risultati sperimentali di nanoindentazione su pentacene in transistor organici a film sottile (OTFT) sottoposti ad irraggiamento ionico. Nella prima parte si ripercorre lo sviluppo della tecnica di indentazione strumentata, con una focalizzazione particolare sui modelli matematici proposti per l'interpretazione dei dati forza-spostamento ricavati da queste misure. In particolare, viene diffusamente esposta l'implementazione della tecnica di analisi proposta da Oliver e Pharr, che è utilizzata in questa tesi. Il secondo capitolo espone le caratteristiche generali (strutturali ed elettriche) degli OTFT. Un paragrafo è dedicato al pentacene, che rappresenta lo strato attivo dei transistor organici su cui sono state effettuate le misure in laboratorio. L'ultima parte del capitolo consiste in una panoramica dell'interazione tra radiazioni e polimeri. Vengono quindi presentati i risultati sperimentali: si confrontano le proprietà di durezza e modulo di Young per campioni caratterizzati da differenti specie ioniche, dosi ed energie di irraggiamento (unitamente a campioni reference, per permettere un confronto con il pentacene sottoposto a bombardamento).

Degradation of all-inkjet-printed organic thin-film transistors with TIPS-pentacene under processes applied in textile manufacturing

Printed electronics represent an alternative solution for the manufacturing of low-temperature and large area flexible electronics. The use of inkjet printing is showing major advantages when compared to other established printing technologies such as, gravure, screen or offset printing, allowing the reduction of manufacturing costs due to its efficient material usage and the direct-writing approach without requirement of any masks. However, several technological restrictions for printed electronics can hinder its application potential, e.g. the device stability under atmospheric or even more stringent conditions. Here, we study the influence of specific mechanical, chemical, and temperature treatments usually appearing in manufacturing processes for textiles on the electrical performance of all-inkjet-printed organic thin-film transistors (OTFTs). Therefore, OTFTs where manufactured with silver electrodes, a UV curable dielectric, and 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentance (TIPS-pentacene) as the active semiconductor layer. All the layers were deposited using inkjet printing. After electrical characterization of the printed OTFTs, a simple encapsulation method was applied followed by the degradation study allowing a comparison of the electrical performance of treated and not treated OTFTs. Industrial calendering, dyeing, washing and stentering were selected as typical textile processes and treatment methods for the printed OTFTs. It is shown that the all-inkjet-printed OTFTs fabricated in this work are functional after their submission to the textiles processes but with degradation in the electrical performance, exhibiting higher degradation in the OTFTs with shorter channel lengths (L=10 μm).

In-situ and real time scanning probe microscopy of organic ultra thin films

In recent decades, Organic Thin Film Transistors (OTFTs) have attracted lots of interest due to their low cost, large area and flexible properties which have brought them to be considered the building blocks of the future organic electronics. Experimentally, devices based on the same organic material deposited in different ways, i.e. by varying the deposition rate of the molecules, show different electrical performance. As predicted theoretically, this is due to the speed and rate by which charge carriers can be transported by hopping in organic thin films, transport that depends on the molecular arrangement of the molecules. This strongly suggests a correlation between the morphology of the organic semiconductor and the performance of the OTFT and hence motivated us to carry out an in-situ real time SPM study of organic semiconductor growth as an almost unprecedent experiment with the aim to fully describe the morphological evolution of the ultra-thin film and find the relevant morphological parameters affecting the OTFT electrical response. For the case of 6T on silicon oxide, we have shown that the growth mechanism is 2D+3D, with a roughening transition at the third layer and a rapid roughening. Relevant morphological parameters have been extracted by the AFM images. We also developed an original mathematical model to estimate theoretically and more accurately than before, the capacitance of an EFM tip in front of a metallic substrate. Finally, we obtained Ultra High Vacuum (UHV) AFM images of 6T at lying molecules layer both on silicon oxide and on top of 6T islands. Moreover, we performed ex-situ AFM imaging on a bilayer film composed of pentacene (a p-type semiconductor) and C60 (an n-type semiconductor).

Nanoindentazione di film sottili di PEDOT:PSS su substrato rigido

In questa tesi vengono presentati i risultati sperimentali di nanoindentazione su film sottili di PEDOT:PSS depositato su substrato rigido (vetro). Nella prima parte viene presentato lo sviluppo della teoria classica sul contatto meccanico tra due superfici elastiche, sviluppata per la prima volta da Hertz nella seconda metà dell'Ottocento. Nel Capitolo 2 si entra maggiormente nel dettaglio con la spiegazione del metodo sviluppato da Oliver e Pharr per misurare alcune proprietà meccaniche dei materiali tramite la tecnica della nanoindentazione utilizzata in questo esperimento. Particolare riguardo viene dato al modo in cui vengono misurate le quantità fisiche rilevanti, ovvero modulo di Young e durezza. Nel terzo capitolo vengono descritte brevemente la struttura del polimero PEDOT:PSS e la tecnica utilizzata per sintetizzarlo a partire dal suo monomero, l'EDOT. Nel Capitolo 4 una sezione è dedicata alla descrizione della preparazione dei campioni di PEDOT:PSS utilizzati in questo esperimento, quindi una parte è dedicata alla descrizione dello strumento di misura, mentre la restante parte del capitolo è riservata alla presentazione dei risultati sperimentali con l'aiuto di grafici e tabelle. Nella parte finale di questo lavoro si riportano alcune conclusioni sui risultati ottenuti.

Proprietà optoelettroniche di film nanoporosi ottenuti per impiantazione ionica.

In questo elaborato vengono studiate le proprietà optoelettroniche di film sottili di germanio nanoporosi ottenuti per impiantazione ionica. Viene trattata la tecnica sperimentale della Surface Photovoltage Spectroscopy nella configurazione Metal-Insulator-Semiconductor. Viene osservato che la presenza di struttura nanoporosa provoca due effetti: il primo è l’innalzamento del bandgap energetico dovuta al confinamento quantistico degli elettroni all’interno dei pori; il secondo è l’incremento del segnale SPV per quei film in cui è maggiore il rapporto tra superficie e volume.

Rivelatori a stato solido per raggi X a base di pentacene

I rivelatori a stato solido per raggi X hanno applicazioni in diversi ambiti, in particolare sono ampiamente utilizzati in ambito medico, in ambito industriale e come dispositivi per la sicurezza. Essendo molto diffusi nella nostra quotidianità si è sempre alla ricerca di nuovi materiali e di nuove tecniche di fabbricazione in grado di ridurne i costi di produzione. Le ricerche attuali sono incentrate sullo studio di nuovi materiali sensibili ai raggi X, l'attenzione è particolarmente diretta ai semiconduttori organici. Questi materiali risultano molto interessanti in quanto sono solubili in molti solventi, tale caratteristica permette lo sviluppo di nuove tecniche di fabbricazione a basso costo per rivelatori di grandi aree. Una delle tecniche di maggiore interesse è la stampa a inchiostro su substrati flessibili e trasparenti. In questa tesi si analizzeranno le proprietà elettriche, in particolare la variazione del segnale di corrente in seguito all'irraggiamento da raggi X, di alcuni campioni costituiti da TIPS-pentacene. Ci si soffermerà in particolare sui metodi con cui tali cristalli sono stati deposti quali inkjet e drop-cast.

TIPS-pentacene come rivelatore di raggi-X

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto europeo i-FLEXIS il cui obiettivo è lo sviluppo di un sensore di raggi X innovativo, affidabile, a basso costo e basato su componenti eterogenei organici. Attualmente, i rivelatori di radiazione ionizzante a stato solido fanno uso di materiali inorganici e sono ampiamente impiegati in ambito medico, industriale e come dispositivi per la sicurezza. Le scoperte scientifiche degli ultimi anni nell'ambito dei semiconduttori organici hanno evidenziato che tali materiali sono sensibili alla radiazione ionizzante e il loro utilizzo permette di realizzare rivelatori diretti di raggi-X, convertendo fotoni in segnale elettrico. Questi dispositivi sono caratterizzati da flessibilità, possibilità di lavorare a temperatura ambiente, basso costo di produzione, poca energia di alimentazione, alta sostenibilità ambientale e dalla possibilità di coprire grandi aree. Tutte queste proprietà concorrono ad incrementare sempre più l’attenzione e l’interesse dei ricercatori in questo relativamente nuovo mondo: i semiconduttori organici. In questa tesi sono stati esaminati cinque diversi campioni di TIPS-pentacene con la finalità di evidenziare quali si prestino meglio come rivelatori di raggi-X. I campioni sono tutti in diverse forme e spaziano dal cristallo singolo ai film sottili, con particolare attenzione al comportamento dei cristalli singoli cresciuti mediante processi di stampa direttamente sul substrato. Per quanto riguarda i semiconduttori organici, la frazione di raggi-X assorbita dai materiali è molto piccola e non è in grado di giustificare il segnale misurato. Si è effettuato inoltre un confronto tra la risposta dei campioni alla luce visibile e alla radiazione ionizzante per comprendere il meccanismo di generazione e rivelazione delle cariche in seguito all’assorbimento di raggi-X.

In-situ detection of defect formation in organic flexible electronics by Kelvin Probe Force Microscopy

Organic semiconductor technology has attracted considerable research interest in view of its great promise for large area, lightweight, and flexible electronics applications. Owing to their advantages in processing and unique physical properties, organic semiconductors can bring exciting new opportunities for broad-impact applications requiring large area coverage, mechanical flexibility, low-temperature processing, and low cost. In order to achieve highly flexible device architecture it is crucial to understand on a microscopic scale how mechanical deformation affects the electrical performance of organic thin film devices. Towards this aim, I established in this thesis the experimental technique of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) as a tool to investigate the morphology and the surface potential of organic semiconducting thin films under mechanical strain. KPFM has been employed to investigate the strain response of two different Organic Thin Film Transistor with active layer made by 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS-Pentacene), and Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT). The results show that this technique allows to investigate on a microscopic scale failure of flexible TFT with this kind of materials during bending. I find that the abrupt reduction of TIPS-pentacene device performance at critical bending radii is related to the formation of nano-cracks in the microcrystal morphology, easily identified due to the abrupt variation in surface potential caused by local increase in resistance. Numerical simulation of the bending mechanics of the transistor structure further identifies the mechanical strain exerted on the TIPS-pentacene micro-crystals as the fundamental origin of fracture. Instead for P3HT based transistors no significant reduction in electrical performance is observed during bending. This finding is attributed to the amorphous nature of the polymer giving rise to an elastic response without the occurrence of crack formation.

Studio di fotoconducibilità di cristalli di TIPS-pentacene

I semiconduttori organici presentano proprietà che consentono la produzione di dispositivi impensabili fino a pochi anni fa: sono flessibili, leggeri e robusti, ed inoltre facili ed economici da depositare. La loro capacità di rivelare direttamente la radiazione ionizzante, convertendola in segnale elettrico, li pone come ottimi candidati per una nuova generazione di rivelatori a stato solido per raggi X, utilizzabili in situazioni e luoghi prima inaccessibili a quelli inorganici, o addirittura comodamente indossabili. Tuttavia i fenomeni di fotogenerazione e raccolta di carica in questi materiali non sono ancora completamente compresi. Ottimali per lo studio di queste ed altre proprietà intrinseche sono le forme di impacchettamento a cristallo singolo. Questa tesi analizza e confronta i segnali elettrici di campioni di cristalli singoli di TIPS-pentacene quando esposti a flussi crescenti di radiazione visibile e di raggi X a diversi voltaggi, proponendo dei modelli per la loro interpretazione. Viene inoltre riportato un confronto con le stesse misure effettuate su un campione dello stesso materiale in forma di film sottile.

Epitaxially Grown Strained Pentacene Thin Film on Graphene Membrane

Organic-graphene system has emerged as a new platform for various applications such as flexible organic photovoltaics and organic light emitting diodes. Due to its important implication in charge transport, the study and reliable control of molecular packing structures at the graphene-molecule interface are of great importance for successful incorporation of graphene in related organic devices. Here, an ideal membrane of suspended graphene as a molecular assembly template is utilized to investigate thin-film epitaxial behaviors. Using transmission electron microscopy, two distinct molecular packing structures of pentacene on graphene are found. One observed packing structure is similar to the well-known bulk-phase, which adapts a face-on molecular orientation on graphene substrate. On the other hand, a rare polymorph of pentacene crystal, which shows significant strain along the c-axis, is identified. In particular, the strained film exhibits a specific molecular orientation and a strong azimuthal correlation with underlying graphene. Through ab initio electronic structure calculations, including van der Waals interactions, the unusual polymorph is attributed to the strong graphene-pentacene interaction. The observed strained organic film growth on graphene demonstrates the possibility to tune molecular packing via graphene-molecule interactions.

Desenvolvimento de dispositivos eletrônico-orgânicos e sua aplicação como sensores em meio aquoso

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

In situ real-time investigation of Organic Ultra-Thin-Film transistors: growth, electrical properties and biosensing applications

Organic electronics has grown enormously during the last decades driven by the encouraging results and the potentiality of these materials for allowing innovative applications, such as flexible-large-area displays, low-cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. Moreover, their possible field of applications reaches from medicine, biotechnology, process control and environmental monitoring to defense and security requirements. However, a large number of questions regarding the mechanism of device operation remain unanswered. Along the most significant is the charge carrier transport in organic semiconductors, which is not yet well understood. Other example is the correlation between the morphology and the electrical response. Even if it is recognized that growth mode plays a crucial role into the performance of devices, it has not been exhaustively investigated. The main goal of this thesis was the finding of a correlation between growth modes, electrical properties and morphology in organic thin-film transistors (OTFTs). In order to study the thickness dependence of electrical performance in organic ultra-thin-film transistors, we have designed and developed a home-built experimental setup for performing real-time electrical monitoring and post-growth in situ electrical characterization techniques. We have grown pentacene TFTs under high vacuum conditions, varying systematically the deposition rate at a fixed room temperature. The drain source current IDS and the gate source current IGS were monitored in real-time; while a complete post-growth in situ electrical characterization was carried out. At the end, an ex situ morphological investigation was performed by using the atomic force microscope (AFM). In this work, we present the correlation for pentacene TFTs between growth conditions, Debye length and morphology (through the correlation length parameter). We have demonstrated that there is a layered charge carriers distribution, which is strongly dependent of the growth mode (i.e. rate deposition for a fixed temperature), leading to a variation of the conduction channel from 2 to 7 monolayers (MLs). We conciliate earlier reported results that were apparently contradictory. Our results made evident the necessity of reconsidering the concept of Debye length in a layered low-dimensional device. Additionally, we introduce by the first time a breakthrough technique. This technique makes evident the percolation of the first MLs on pentacene TFTs by monitoring the IGS in real-time, correlating morphological phenomena with the device electrical response. The present thesis is organized in the following five chapters. Chapter 1 makes an introduction to the organic electronics, illustrating the operation principle of TFTs. Chapter 2 presents the organic growth from theoretical and experimental points of view. The second part of this chapter presents the electrical characterization of OTFTs and the typical performance of pentacene devices is shown. In addition, we introduce a correcting technique for the reconstruction of measurements hampered by leakage current. In chapter 3, we describe in details the design and operation of our innovative home-built experimental setup for performing real-time and in situ electrical measurements. Some preliminary results and the breakthrough technique for correlating morphological and electrical changes are presented. Chapter 4 meets the most important results obtained in real-time and in situ conditions, which correlate growth conditions, electrical properties and morphology of pentacene TFTs. In chapter 5 we describe applicative experiments where the electrical performance of pentacene TFTs has been investigated in ambient conditions, in contact to water or aqueous solutions and, finally, in the detection of DNA concentration as label-free sensor, within the biosensing framework.

Ion implantation of organic thin films and electronic devices

Organic semiconductors have great promise in the field of electronics due to their low cost in term of fabrication on large areas and their versatility to new devices, for these reasons they are becoming a great chance in the actual technologic scenery. Some of the most important open issues related to these materials are the effects of surfaces and interfaces between semiconductor and metals, the changes caused by different deposition methods and temperature, the difficulty related to the charge transport modeling and finally a fast aging with time, bias, air and light, that can change the properties very easily. In order to find out some important features of organic semiconductors I fabricated Organic Field Effect Transistors (OFETs), using them as characterization tools. The focus of my research is to investigate the effects of ion implantation on organic semiconductors and on OFETs. Ion implantation is a technique widely used on inorganic semiconductors to modify their electrical properties through the controlled introduction of foreign atomic species in the semiconductor matrix. I pointed my attention on three major novel and interesting effects, that I observed for the first time following ion implantation of OFETs: 1) modification of the electrical conductivity; 2) introduction of stable charged species, electrically active with organic thin films; 3) stabilization of transport parameters (mobility and threshold voltage). I examined 3 different semiconductors: Pentacene, a small molecule constituted by 5 aromatic rings, Pentacene-TIPS, a more complex by-product of the first one, and finally an organic material called Pedot PSS, that belongs to the branch of the conductive polymers. My research started with the analysis of ion implantation of Pentacene films and Pentacene OFETs. Then, I studied totally inkjet printed OFETs made of Pentacene-TIPS or PEDOT-PSS, and the research will continue with the ion implantation on these promising organic devices.

Studio e caratterizzazione di biosensori sviluppati su dispositivi inorganici ed organici

L’attività di dottorato qui descritta ha riguardato inizialmente lo sviluppo di biosensori elettrochimici semplificati per la rilevazione di DNA e successivamente lo studio di dispositivi organici ad effetto di campo per la stimolazione e il rilevamento dell’attività bioelettrica di cellule neuronali. Il lavoro di ricerca riguardante il prima parte è stato focalizzato sulla fabbricazione e sulla caratterizzazione di un biosensore a due elettrodi per la rilevazione di DNA solubile , facilmente producibile a livello industriale. Tale sensore infatti, è in grado di leggere livelli diversi di correnti faradiche sulle superfici in oro degli elettrodi, a discrezione di un eventuale ibridizzazione del DNA da analizzare su di esse. I risultati ottenuti riguardo a questo biosensore sono :la paragonabilità dello stesso con i sensori standard a tre elettrodi basati sulla medesima metodica, la possibilità di effettuare due misure in parallelo di uno stesso campione o di 2 diversi campioni su di uno stesso di dispositivo e la buona applicabilità della chimica superficiale a base di tale biosensore a superfici create con tecnologie industriali. Successivamente a tali studi, mi sono focalizzato sull’utilizzo di dispositivi organici ad effetto campo (in particolare OTFT) per lo sviluppo di un biosensore capace di stimolare e registrare l’attività bioelettrica di cellule neuronali. Inizialmente sono state identificate le caratteristiche del materiale organico utilizzato e successivamente del dispositivo fabbricato pre e post esposizione all’ambiente fisiologico. Poi, sono stati effettuati esperimenti per osservare la capacità di stimolare e di leggere i segnali elettrogenici da parte dell’OTFT. I risultati ottenuti da tali studi sono che: il materiale organico ed il dispositivo mantengo le loro caratteristiche morfologiche e funzionali dopo l’esposizione per giorni all’ambiente fisiologico. Inoltre l’OFET in grado di stimolare il cambiamento delle tensioni di membrana cellulari e contemporaneamente di registrare tali variazioni e le eventuali risposte cellulari provocate da esse.

Proprietà ottiche di film sottili di germanio nanoporoso

In questa tesi viene presa in esame una classe di materiali semiconduttori caratterizzata dalla presenza di una struttura nanoporosa in superficie. L’analisi è stata svolta tramite surface photovoltage spectroscopy (SPS) su cinque film di Ge realizzati in condizioni diverse, sfruttando due tecniche di impiantazione ionica (MBE e Sputtering). Valutando il valore in energia e l’ampiezza del picco della curva SPV che si ottiene, sarà possibile studiare come vengono modificate alcune proprietà elettriche e strutturali del Ge al variare della geometria e della disposizione dei nanopori. I risultati ottenuti mettono in risalto le potenzialità di questo nuovo tipo di materiale per realizzare e migliorare applicazioni come sensori, catalizzatori e pannelli fotovoltaici.