Kompensationsdotierung und Dotandenmigration in organischen Feldeffekt-Transistoren

Die Aussicht auf eine kostengünstige Massenproduktion flexibler elektrischer Bauteile hat organischen Halbleitern wie dem weitverbreiteten konjugierten Polymer P3HT in den letzten Jahren viel Beachtung zukommen lassen. Eine Anwendung gerade dieses gut synthetisierbaren und prozessierbaren Materials in organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs) blieb dabei jedoch bislang aufgrund seiner Instabilität an Luft stark eingeschränkt. Die unerwünschte p-Dotierung des Polymers durch Sauerstoff konnte in dieser Arbeit mit Hilfe molekularer n-Dotanden kompensiert werden. Hierdurch wurde das durch die Sauerstoff-Dotierung reduzierte On/Off-Verhältnis der OFETs deutlich vergrößert. Allerdings verschlechterten sich zeitgleich Feldeffekt-Mobilität sowie Schwellenspannung der Bauteile und ihre Transfercharakteristik wies eine zunehmende Hysterese auf, was auf den Drift der verwendeten n-Dotanden in ihnen zurückgeführt werden konnte. Innerhalb von Halbleiter-Filmen konnte ein Dotanden-Drift dabei anhand einfacher elektrischer Messungen nachverfolgt werden. Anschließende Untersuchungen mit hinzugegebenen isolierenden Polymeren offenbarten, dass diese jenen Drift in Halbleiter-Filmen potentiell unterdrücken können. Für die Anwendung in OFETs erwiesen sie sich jedoch aufgrund einer tendenziell ungünstigen Morphologie im Zusammenspiel mit n-dotiertem P3HT als ungeeignet.
Letztendlich konnte der Dotanden-Drift in Transistoren durch eine chemische Modifikation der verwendeten n-Dotanden unterbunden werden. Über die Funktionalisierung mit einer Azidgruppe konnte eine kovalente Bindung zwischen Dotand und Halbleiter und somit eine Immobilisierung der Dotanden im Bauteil erreicht werden, wodurch dort die negativen Auswirkungen ihres Drifts abgewendet werden konnten. Wie reine P3HT-OFETs zeigten an Luft prozessierte und charakterisierte Bauteile mit immobilisierten n-Dotanden kaum Hysterese, eine für dieses Material hohe Feldeffekt-Mobilität sowie eine niedrige Schwellenspannung. Der alleinige Unterschied zu unbehandelten Transistoren liegt in der ursprünglich angestrebten Erhöhung des On/Off-Verhältnisses um zwei Größenordnungen infolge der Kompensationsdotierung des P3HT. Somit konnte eine vielversprechende Methode gefunden werden, um diesen bekannten organischen Halbleiter attraktiver für die OFET-Produktion zu machen. Die verfolgte Strategie zur Verankerung der Dotanden ist dabei nicht
selektiv hinsichtlich der genutzten Matrix und folglich auf weitere Materialien übertragbar.