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Space environment effects on flexible, low-voltage organic thin film transistors

Organic electronic devices fabricated on flexible substrates are promising candidates for applications in space environments. The effect of high-energy protons on TIPS-pentacene based OTFTs has been investigated, monitoring device parameters such as threshold voltage, charge mobility and trap density.
Low-voltage TIPS-pentacene OTFTs fabricated on the Kapton flexible substrate plated with Al for gate contact, and using a stack of a few monolayers.

DOI code: https://doi.org/10.1021/acsami.7b08440

Authors DIFA: Dott.ssa L.Basiricò, Dott. F.A.Basile, Dott. T.Cramer, Dott. A.Ciavatti e Prof.ssa B.Fraboni.

Organic electronic devices fabricated on flexible substrates are promising candidates for applications in space environments where flexible, light-weight and radiation hard materials are required. In the last years such devices have been explored not only as adhesive or insulating layers but also as active devices such as organic solar cells and organic thin-film transistors (OTFTs) used as chemical, gas, bio, and strain sensors. However, during space missions, materials and devices are exposed to extreme stresses such as high vacuum, thermal cycles, and heavy irradiation, including UV, X-rays, and ionizing particles (electrons, protons, and heavy ions). Investigations on the effects of space radiation on OTFTs and other organic devices, thus, are needed to explore the reliability of organic electronics in radiation harsh environments. Indeed, such effects are under debate in the literature.

Researchers of the DIFA (L.Basiricò, A.F.Basile, T.Cramer, A.Ciavatti and B.Fraboni), in collaboration with University of Cagliari and University of Padova, studied flexible OTFTs devices based on 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene) that can be used as real-time, direct ionizing radiation detectors. In particular, they monitored the device parameters such as threshold voltage, charge mobility and trap density of TIPS-pentacene based OTFTs, performing electrical measurements before and after irradiation by high-energy protons. The observed reduction of charge carrier mobility following irradiation can be only partially ascribed to the increased trap density. Indeed, Atomic Force Microscopy reveals morphological defects occurring in the organic dielectric layer induced by the impinging protons, which, in turn, induce a strain on the TIPS-pentacene crystallites lying above. The effects of this strain are investigated by correlating Density–Functional–Theory simulations and Photo-Current spectra acquired before and after proton irradiation. The researchers concludes that the degradation of the dielectric layer and the organic semiconductor sensitivity to strain are the two main phenomena responsible for the reduction of OTFT mobility after proton irradiation. These findings open the way for the improvement of the next generation of organic electronic devices in space environment.

Effetti dell’irraggiamento con protoni ad alta energia su transistor organici a film sottile, a basso voltaggio e flessibili, operanti in ambiente spaziale.

I dispositivi elettronici organici, fabbricati su substrati flessibili, sono candidati molto promettenti per svariate applicazioni in ambienti spaziali. Sono stati investigati gli effetti dell’irraggiamento con protoni ad alta energia su OTFT basati su TIPS-pentacene, tramite la misura dei parametri caratteristici dei dispositivi, come la tensione di soglia, la mobilità e la densità di trappole prima e dopo l’irraggiamento.

I dispositivi elettronici organici, fabbricati su substrati flessibili, sono candidati promettenti per svariate applicazioni in ambienti spaziali, dove sono richiesti materiali flessibili, leggeri e resistenti alle radiazioni. Negli ultimi anni, sono stati studiati non solo come strati adesivi od isolanti, ma anche come dispositivi attivi come celle solari organiche o transistor organici a film sottile (OTFT) usati come sensori chimici, di gas, biologici o di deformazione meccanica. Tuttavia, durante le missioni spaziali, i materiali ed i dispositivi sono esposti a forti stress dovuti a condizioni di alto vuoto, a cicli termici e ad un intenso irraggiamento che include radiazione UV, raggi X e particelle ionizzanti (elettroni, protoni e ioni pesanti). Indagare sugli effetti di tali radiazione spaziali sui dispositivi organici è quindi necessario per esplorare le possibili applicazioni dell’elettronica organici in ambienti altamente radioattivi.

Ricercatori del DIFA (L.Basiricò, A.F.Basile, T.Cramer, A.Ciavatti and B.Fraboni), in collaborazione con l’Università di Cagliari e l’Università di Padova, hanno studiato dispositivi OTFT flessibili basati su 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene), che possono essere utilizzati come sensori di radiazione in tempo reale. In particolare, gli effetti dell’irraggiamento con protoni ad alta energia sui dispositivi sono stati valutati misurandone i parametri elettrici caratteristici, come la tensione di soglia, la mobilità e la densità di trappole prima e dopo l’irraggiamento. E’ stata osservata una riduzione della mobilità dei portatori di carica a seguito dell’irraggiamento, che può essere solo parzialmente attribuita all’aumento della densità di cariche. Infatti, tramite il Microscopio a Forza Atomica è stata osservata la presenza di difetti indotti dai protoni nello stato dielettrico del transistor, avente l’effetto di indurre una deformazione nei cristalliti di TIPS-pentacene. Gli effetti della deformazione sono stati studiati correlando con successo le simulazioni basate sulla “Density–Functional–Theory” e gli spettri di Foto-Corrente acquisiti prima e dopo l’irraggiamento con protoni. I ricecatori hanno concluso che il degrado dello strato di dielettrico e la sensibilità del semiconduttore organico alla deformazione sono i due principali fenomeni resposabili della riduzione della mobilità. Questa ricerca apre la via per lo sviluppo di dispositivi elettronici performanti basati su materiali organici per applicazioni spaziali.