Polymer-wrapped carbon nanotubes for high performance field effect transistors

Deze thesis beschrijft het fabriceren en optimaliseren van veldeffecttransistoren gemaakt met SWNTs. Het doel is het verbeteren van de prestaties van de transistoren en het ontwikkelen van een schaalbare en reproduceerbare productietechniek. Hieronder volgt een samenvatting van de thesis. In Hoofdstuk 2 introduceren we blade coaten als techniek voor het aanbrengen van de SWNTs in een geordende manier. We bestuderen de verschillen in prestaties van veldeffecttransistoren waarbij de SWNTs geselecteerd zijn met de polymeren poly-9,9-di-n-dodecyl-fluorenyl-2,7-diyl (PF12) en poly(3-dodecylthiofeen-2,5-diyl) (P3DDT). Hoofdstuk 3 omvat een studie over het mechanisme achter het transport van de ladingsdragers in ambipolaire FETs met semigeordende netwerken van polymeer-omwikkelde SWNTs. Wanneer deze FETs worden afgekoeld tot temperaturen rond het kookpunt van stikstof blijven de ambipolaire kenmerken bestaan, terwijl de aan-uit-verhouding verbetert tot 106. We observeren dat de mobiliteit van zowel elektronen als gaten vermindert door het afkoelen, hoewel een afwijking van deze trend optreedt bij temperaturen lager dan 150K. Bij deze temperaturen nemen de mobiliteiten namelijk weer licht toe. Hoofdstuk 4 beschrijft transistoren met korte kanalen gemaakt met één enkele ambipolaire SWNT. Deze transistoren zijn gefabriceerd met een polymeer-omwikkelde s-SWNT-oplossing, waarbij het omwikkelen is gedaan met de polymeer poly(2,5-dimethylidynenitrilo-3,4-didodecylthienyleen) (PAMDD). Door middel van elektrische karakterisatie van de veldeffecttransistoren konden we de zuiverheid van de halfgeleidende SWNT-oplossing schatten op meer dan 99.9%. Hoofdstuk 5 is toegewijd aan de fabricatie van koolstofnanobuisveldeffecttransistoren door middel van chemische zelfassemblage van halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen op substraten met vooraf gefabriceerde elektrodes. We hebben het polymeer gefunctionaliseerd met thiolhoudende zijketens om chemische zelfassemblage van de geselecteerde s-SWNTs op gouden elektrodes mogelijk te maken. De apparaten met individuele SWNTs hebben een uniek hoge opbrengst van 100% voor het aantal werkende apparaten, wat hiervoor nog nooit behaald is. De SWNTs die door middel van de thiolgroepen geassembleerd zijn zitten stabiel verankerd aan het substraat en zijn bestand tegen externe perturbatie zoals sonicatie in organische oplosmiddelen.This thesis focuses on fabrication and optimization of SWNT field effect transistors, aiming to improve performance and develop highly scalable and reproducible fabrication technique. The outline of the thesis is given below. In Chapter 2 we introduce Blade Coating deposition technique for SWNT alignment and discuss performance comparison of FETs based on SWNTs selected with poly-9,9-di-n-dodecyl-fluorenyl-2,7-diyl (PF12) and poly(3-dodecylthiophene-2,5-diyl) (P3DDT) polymers. Chapter 3 shows a study of the carrier transport mechanism in ambipolar FETs of semialigned networks of polymer-wrapped carbon nanotubes. The ambipolar characteristics persist with much improved on/off ratio values (106) when the FET is cooled down to liquid N2 temperature. We observe that the mobility values of both holes and electrons decrease by cooling, but with some anomalies as a slight increase below 150 K. Chapter 4 demonstrates short-channel ambipolar single-SWNT transistors prepared from a polymer-wrapped s-SWNT solution obtained with poly(2,5-dimethylidynenitrilo-3,4-didodecylthienylene) (PAMDD) polymer. By performing electrical characterization of the prepared field effect transistors we estimated the purity of semiconducting SWNT solution to be higher than 99.9%. Chapter 5 is devoted to the fabrication of carbon nanotube field effect transistors by chemical self-assembly of semiconducting single-walled carbon nanotubes on pre-patterned substrates. We functionalized the polymer with side chains containing thiols, to obtain chemical self-assembly of the selected s-SWNTs on gold electrodes. SWNTs devices based on individual tubes show an unprecedented (100%) yield for working devices. The SWNTs assembled by mean of the thiol groups are stably anchored to the substrate and are resistant to external perturbation as sonication in organic solvents