Dielectric properties of organic-based thin films integrated into rolled-up capacitors

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Silva, Ricardo Magno Lopes da [UNESP]
• Orientador(a): Bufon, Carlos Cesar Bof [UNESP]
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Eletrônica orgânica/híbrida; Low-k; MOFs; Capacitores autoenrolados
• Palavras-chave em Inglês: Organic/hybrid electronics; Low-κ dielectrics; Metal-organic frameworks; Nanomembrane-based devices
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/11449/242671

O conhecimento dos efeitos de polarização em filmes finos de semicondutores orgânicos traz grandes benefícios para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos. No entanto, a incorporação de conjuntos moleculares em dispositivos híbridos funcionais, estabelecendo um contato elétrico superior que preserve a sua integridade, ainda é um desafio. Uma abordagem eficaz para contornar esse problema usando técnicas convencionais de microfabricação em 2D consiste no uso de nanomembranas autoenroladas, que proporcionam um contato mecânico confiável entre conjuntos moleculares e eletrodos metálicos através da liberação controlada de estruturas planares do substrato. Este trabalho começa relatando a integração de conjuntos de metal-ftalocianinas (viz. CuPc, CoPc e F16CuPc) de 5 nm de espessura em capacitores baseados em nanomembranas autoenroladas, posteriormente caracterizados por medidas de espectroscopia de impedância em função de temperatura (de 6 a 300 K), para a investigação da polarização elétrica dos conjuntos de semicondutores orgânicos. Para baixas temperaturas, tais filmes apresentam permissividade independente da temperatura, mas fortemente dependente das interfaces híbridas orgânico/inorgânico, enquanto os tempos de relaxação calculados são mais provavelmente relacionados a polarização de cada estrutura molecular. Estes resultados também suportam o design determinístico dos capacitores baseados em nanomembranas como uma alternativa confiável para o estudo das propriedades dielétricas de conjuntos moleculares, o que estimula a exploração de materiais mais complexos, novos e intrinsecamente desafiadores como dielétricos com espessuras na nanoescala incorporados aos capacitores enrolados. Neste contexto, o próximo material escolhido para investigação em tais dispositivos pertence à classe de materiais híbridos porosos denominados estruturas metal-orgânicas suportadas em superfície (SURMOFs), um grupo promissor que surge para atender a demanda por isolantes robustos para a tecnologia de dielétricos entrecamadas. A adequação dos SURMOFs para a eletrônica vem de seu baixo custo, alta versatilidade, low-κ, excelente controle de morfologia e propriedades mecânicas robustas. Porém, sua porosidade intrínseca representa um obstáculo para o estabelecimento de contato superior confiável para investigação elétrica de filmes finos desses materiais. Portanto, filmes ultrafinos de HKUST-1 SURMOF são integrados aos capacitores baseados em nanomembranas para acessar suas propriedades dielétricas com considerável precisão. Um valor de κ igual a 2,0 ± 0,5 e uma robusta resistência à ruptura de 2,8 MVcm-1 são obtidos para os filmes com espessuras abaixo de 80 nm. Além disso, a estrutura autoencapsulada fornece uma boa proteção para o SURMOF em relação a diferentes exposições perigosas. Com base nos dados experimentais, cálculos de elementos finitos foram empregados para comparar o desempenho do HKUST-1 com isolantes já aplicados na eletrônica (SiO2 e Al2O3) como camada dielétrica e indicam que o HKUST-1 apresenta melhor desempenho em estruturas de interconexão, revelando um candidato promissor para aplicação como dielétrico entrecamadas para novos eletrônicos. Os resultados obtidos neste estudo fornecem uma base para novas aplicações desses materiais na eletrônica orgânica e híbrida.