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Charge Density Increase in Sub-Monolayer Organic Field-Effect Transistors

The researchers found that even in the so-called sub-monolayer regime charge transport happens along a percolation path.
Atomic force microscopy images showing sub-monolayers of pentacene grown on Silicon-oxide gate dielectric. Left: before percolation, isolated molecula

Authors

T. Cramer, A. Kyndiah, A. Kloes, M. Murgia, B. Fraboni, F. Biscarini

Abstract

Molecular electronics has the objective to substitute metals and semiconductors applied in our electronic technology by molecular components to realize devices and circuits of molecular dimensions. In an article published this year Physical Review B (http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.91.205305),  researchers of the DIFA (T. Cramer and B. Fraboni) describe how they grew ultra thin-films of the molecule pentacene in a high vacuum system and characterized charge accumulation and transport therein.

Importantly, the researchers found that even in the so-called sub-monolayer regime, where the film is not completely formed but is described as a connected network of nanometer-sized islands, charge transport happens along a percolation path. Once the percolation path connects the different islands of the network, an increased charge density with respect to the normal, fully grown film emerges. These important results demonstrate that nanostructures can be applied to achieve higher charge densities in molecular electronics.

 

PHYSICAL REVIEW B  Volume: 91   Issue: 20     Page : 205305   Published: MAY 14 2015

Sommario

L’elettronica molecolare ha l’obiettivo di sostituire metalli e semiconduttori usati nella attuale tecnologia elettronica con componenti molecolari e di creare dispositivi con dimensioni molecolari.

In un articolo uscito quest’anno nella rivista Physical Review B (http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.91.205305) con contributi di ricercatori del DIFA (T.Cramer e B.Fraboni), viene descritta la crescita di film ultra-sottile di molecole di pentacene in un sistema ad alto vuoto e la sua caratterizzazione in termini di accumulo e trasporto di carica.

I ricercatori hanno per la prima volta dimostrato che in film sottili che si trovano nel cosiddetto regime “sotto-monostrato”, ossia  il film non copre ancora tutto il substrato ma puo’ essere descritto come una rete di isole molecolari connesse tra di loro, il trasporto di carica avviene lungo un sentiero di percolazione.

Quando questo sentiero connette le varie isole del film, viene osservato un aumento della densità di carica rispetto a quella misurata in un film completo. Questo importante risultato dimostra che l’utilizzo di nano-strutture può essere sfruttato per ottenere maggior densità di carica in dispositivi elettronici molecolari.

Figura: Immagini ottenute da microscopia a forza atomica di due film “sotto-monostrato” di pentacene cresciuti su una superficie di ossido di silicio e con contatto gate. Sinistra: Prima della percolazione le isole molecolari sono isolate sulla superficie e il film non conduce. Destra: Dopo la percolazione un sentiero connette le isole di pentacene e i portatori di carica si accumulano, aumentandone così la densità.