Printing of organic semiconductors : morphology, crystal structure and interfaces

L'electrònica orgànica està despertant interès a causa del seu baix cost i escalabilitat. Els semiconductors orgànics (OSC) es poden dipositar mitjançant tècniques de solució compatibles amb processat gran escala, baixes temperatures i sobre substrats flexibles. El transport de càrregues a OSC està determinat per la superposició electrònica entre molècules i, per tant, la morfologia i l'estructura de les pel·lícules d'OSC té un efecte crucial en el rendiment del dispositiu. Els transistors orgànic d'efecte de camp (OFET) són plataformes idònies per estudiar les propietats de transport càrregues dels OSC. A més, aquests dispositius mostren un gran potencial per a la fabricació de detectors, com el desenvolupament de fotodetectors o en biosensors mitjançant l'ús d'OFET amb un electròlit substituint el dielèctric, anomenats transistors orgànics d'efecte de camp amb porta electrolítica (EGOFET). En aquesta tesi, hem fabricat OFET i EGOFET utilitzant una tècnica desenvolupada al grup de deposició en dissolució (BAMS) per dipositar la capa d'OSC, aquesta és una tècnica d'impressió d'alt rendiment i baix cost. A més, per processar els OSC, fem servir barreges d'aquests materials amb poliestirè (PS) per millorar la processabilitat i la cristal·linitat de l'OSC. Es va investigar la influència dels paràmetres de recobriment i la formulació de la solució en la morfologia i estructura de les pel·lícules capes prima usant els OSC dibenzotetrathiafulvalene, 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, and 2-Decyl-7 -phenyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene. La modificació d'aquests paràmetres va permetre controlar la formació de polimorfs cinètics o termodinàmics, i també la anisotropia de pel·lícules primes. Les pel·lícules es van optimitzar per aconseguir millors rendiment dels OFET. L'aplicació d'OFET basats en derivats del pentacé com a fotodetectors de raigs X, també es va dur a terme. La resposta de raigs X es va optimitzar controlant la morfologia de les pel·lícules prima, reduint la majoria dels paranys dels portadors de càrrega utilitzant barreges de OSC amb PS i millorant la mobilitat del dispositiu. Es van aconseguir fotorespostes rècord superant les dels detectors inorgànics comercials. Finalment, estudiem diferents aspectes relacionats amb la modificació de la interfície de l'elèctrode de porta amb l'electròlit als EGOFET. Investiguem com la funcionalització de l'elèctrode de porta amb monocapes de moleculars autoacoblades o l'ús d'elèctrodes de pasta de carboni poden ser eines útils per ajustar la resposta del dispositiu. A més, es van aprofitar els EGOFET per controlar la formació d'una monocapa de tensioactiu al metall de la porta.La electrónica orgánica está despertando interés debido a su bajo costo y escalabilidad. Los semiconductores orgánicos (OSC) se pueden depositar mediante técnicas de solución compatibles con procesado a gran escala, bajas temperaturas y sobre sustratos flexibles. El transporte de cargas en OSC está determinado por la superposición electrónica entre moléculas y, por lo tanto, la morfología y estructura de las películas de OSC tiene un efecto crucial en el rendimiento del dispositivo. Los transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) son plataformas idóneas para estudiar las propiedades de transporte cargas de los OSC. Además, estos dispositivos muestran un gran potencial en para la fabricación de detectores, como el desarrollo de fotodetectores o en biosensores mediante el uso de OFET con un electrolyto substituyendo el dielectrico, llamados transistores organic de efecto de campo con puerta electrolitica (EGOFET). En esta tesis, hemos fabricado OFET y EGOFET utilizando una técnica desarrollada en el grupo de deposición en disolución (BAMS) para depositar la capa de OSC, esta es una técnica de impresión de alto rendimiento y bajo costo. Además, para procesar los OSC, usamos mezclas de estos materiales con poliestireno (PS) para mejorar la procesabilidad y la cristalinidad del OSC. En el Capítulo 2, se investigó la influencia de los parámetros de recubrimiento y la formulación de la solución en la morfología y estructura de las películas delgada usando los OSC dibenzotetrathiafulvalene, 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, and 2-Decyl-7-phenyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene. La modificación de estos parámetros permitió controlar la formación de polimorfos cinéticos o termodinámicos y también la anisotropía de películas delgadas. Las películas se optimizaron para lograr un mejor rendimiento de los OFET. El capítulo 3 está dedicado a la aplicación de OFET basados en derivados del pentaceno como fotodetectores de rayos X. La respuesta de rayos X se optimizó controlando la morfología de las películas delgada, reduciendo la mayoría de las trampas de los portadores de carga usando mezclas de OSC con PS y mejorando la movilidad del dispositivo. Se lograron fotorrespuestas récord superando las de los detectores inorgánicos comerciales. En el Capítulo 4, estudiamos diferentes aspectos relacionados con la modificación de la interfaz del electrodo de puerta con el electrolito en los EGOFET. Investigamos cómo la funcionalización del electrodo de puerta con monocapas de moleculares autoensambladas o el uso de electrodos de pasta de carbono pueden ser herramientas útiles para ajustar la respuesta del dispositivo. Además, se aprovecharon los EGOFET para controlar la formación de una monocapa de tensioactivo en el metal de la puerta.Organic electronics is raising a lot of interest in low-cost and large area applications. Organic semiconductors (OSCs) can be deposited from solution techniques compatible with roll-to-roll processes at low temperatures and on flexible substrates. The transport in OSCs is determined by the electronic overlap between molecules, and hence, the morphology and structure of the OSC films has a crucial effect in the device performance. Organic field-effect transistors (OFETs) are suitable platforms to study the transport properties of OSCs. In addition, these devices show great potential in sensing devices, such as for the development of photodetectors or in bio-sensing by using electrolyte-gated OFETs (EGOFETs). In this thesis, we have fabricated OFETs and EGOFETs using the bar-assisted meniscus shearing (BAMS) technique to deposit the OSC layer, which is a high throughput low cost printing technique. In addition, to process the OSCs, we used blends of these materials with polystyrene (PS) to enhance the OSC processability and crystallinity. The influence of the coating parameters and solution formulation on the thin film morphology and structure was investigated using the OSCs dibenzotetrathiafulvalene, 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, and 2-Decyl-7-phenyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene. The modification of these parameters permitted to control the formation of kinetic or thermodynamic polymorphs and also the thin films anisotropy. The films were optimised to achieve an enhanced OFET performance. Chapter 3 is devoted to the application of OFETs based on pentacene derivatives as X-ray photodetectors. The X-ray response was optimised by controlling the thin morphology, by reducing the majority of charge carrier traps using blends of the OSC with PS, and by improving the device mobility. Record photoresponses were achieved surpassing that of commercial inorganic detectors. Finally, we studied different aspects related to the modification of the gate electrode/electrolyte interface in EGOFETs. We investigated how the functionalisation of the gate electrode with molecular self-assembled monolayers or the use of carbon paste electrodes with different carbon fillers can be useful tools to tune the device response. In addition, EGOFETs were exploited to monitor the formation of a surfactant monolayer on the gate metal